Límite de Schwinger

En electrodinámica cuántica (EDQ), el límite de Schwinger es una escala por encima de la cual se espera que el campo electromagnético se vuelva no lineal . El límite fue derivado por primera vez en uno de los primeros éxitos teóricos de la EQQ por Fritz Sauter en 1931 ^[1] y discutido más a fondo por Werner Heisenberg y su estudiante Hans Heinrich Euler ^[2] . Sin embargo, el límite se nombra comúnmente en la literatura ^[3] por Julian Schwinger , quien derivó las principales correcciones no lineales a los campos y calculó la tasa de producción de pares electrón-positrón en un campo eléctrico fuerte ^[4] . El límite generalmente se informa como un campo eléctrico máximo o campo magnético antes de la no linealidad para el vacío de

${\displaystyle E_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{3}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 1.32\times 10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m} }$

${\displaystyle B_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{2}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 4.41\times 10^{9}\,\mathrm {T} ,}$

donde m _e es la masa del electrón , c es la velocidad de la luz en el vacío, q _e es la carga elemental y ħ es la constante de Planck reducida . Se trata de campos de enorme intensidad. Un campo eléctrico de este tipo es capaz de acelerar un protón desde el reposo hasta la energía máxima alcanzada por los protones en el Gran Colisionador de Hadrones en tan solo unos 5 micrómetros. El campo magnético está asociado con la birrefringencia del vacío y se supera en los magnetares .

En el vacío, las ecuaciones clásicas de Maxwell son ecuaciones diferenciales perfectamente lineales . Esto implica –por el principio de superposición– que la suma de dos soluciones cualesquiera de las ecuaciones de Maxwell es otra solución de las ecuaciones de Maxwell. Por ejemplo, dos rayos de luz que se intersecan simplemente deberían sumar sus campos eléctricos y pasar uno a través del otro. Por lo tanto, las ecuaciones de Maxwell predicen la imposibilidad de cualquier dispersión elástica fotón-fotón que no sea trivial . En QED, sin embargo, la dispersión no elástica fotón-fotón se hace posible cuando la energía combinada es lo suficientemente grande como para crear pares virtuales electrón-positrón espontáneamente, ilustrado por el diagrama de Feynman en la figura adyacente. Esto crea efectos no lineales que se describen aproximadamente por la variante no lineal de Euler y Heisenberg de las ecuaciones de Maxwell .

Una sola onda plana no es suficiente para causar efectos no lineales, incluso en QED. ^[4] La razón básica para esto es que una sola onda plana de una energía dada siempre puede verse en un marco de referencia diferente , donde tiene menos energía (lo mismo es el caso de un solo fotón). Una sola onda o fotón no tiene un marco de centro de momento donde su energía debe estar en valor mínimo. Sin embargo, dos ondas o dos fotones que no viajan en la misma dirección siempre tienen una energía combinada mínima en su marco de centro de momento, y es esta energía y las intensidades de campo eléctrico asociadas con ella, las que determinan la creación de partículas-antipartículas y los fenómenos de dispersión asociados.

La dispersión fotón-fotón y otros efectos de la óptica no lineal en el vacío es un área activa de investigación experimental, con tecnología actual o planificada que comienza a acercarse al límite de Schwinger. ^[5] Ya se ha observado a través de canales inelásticos en el Experimento 144 de SLAC. ^{[6] [7]} Sin embargo, no se han observado los efectos directos en la dispersión elástica. A partir de 2012, la mejor restricción en la sección transversal de dispersión fotón-fotón elástica pertenecía a PVLAS , que informó un límite superior muy por encima del nivel predicho por el Modelo Estándar . ^[8]

Se hicieron propuestas para medir la dispersión elástica luz por luz utilizando los fuertes campos electromagnéticos de los hadrones que colisionaron en el LHC . ^[9] En 2019, el experimento ATLAS en el LHC anunció la primera observación definitiva de la dispersión fotón-fotón, observada en colisiones de iones de plomo que produjeron campos tan grandes como10 ²⁵  V/m , muy por encima del límite de Schwinger. ^[10] La observación de una sección transversal mayor o menor que la predicha por el Modelo Estándar podría significar nueva física como los axiones , cuya búsqueda es el objetivo principal de PVLAS y varios experimentos similares. ATLAS observó más eventos de lo esperado, potencialmente evidencia de que la sección transversal es mayor que la predicha por el Modelo Estándar, pero el exceso aún no es estadísticamente significativo. ^[11]

Es probable que la instalación de campo ultraalto ELI (Ultra High Field Facility), que se ha financiado y que estudiará la luz en la frontera de intensidad, se mantenga muy por debajo del límite de Schwinger ^[12], aunque todavía sea posible observar algunos efectos ópticos no lineales. ^[13] La Estación de Luz Extrema (SEL, por sus siglas en inglés) es otra instalación láser en construcción que debería ser lo suficientemente potente como para observar el efecto. ^[14] Un experimento de este tipo, en el que la luz ultraintensa provoca la producción de pares, ha sido descrito en los medios populares como la creación de una " hernia " en el espacio-tiempo. ^[15]

• Julián Schwinger
• Efecto Schwinger
• Efecto Sokolov-Ternov
• Polarización al vacío