シュウィンガー効果

シュウィンガー効果は、強い電場によって物質が生成されるという予測された物理現象です。ザウター・シュウィンガー効果、シュウィンガー機構、シュウィンガー対生成とも呼ばれます。これは量子電気力学(QED)の予測であり、電場の存在下で電子と陽電子の対が自発的に生成され、それによって電場が減衰します。この効果は、1931 年にフリッツ・ザウターによって最初に提案され^[1] 、 1936 年にヴェルナー・ハイゼンベルクとハンス・ハインリヒ・オイラーによってさらに重要な研究が行われました^{[2] 。しかし、1951 年に}ジュリアン・シュウィンガーによって完全な理論的説明がなされるまでは、まだ実現していませんでした^{[3] 。}

シュウィンガー効果は、電場の存在下での真空崩壊と考えることができます。真空崩壊の概念は、無から何かが生まれることを示唆していますが、物理的な保存則は依然として適用されます。これを理解するには、電子と陽電子は互いの反粒子であり、電荷が反対であること以外は同じ特性を持っていることに注意してください。

エネルギー保存のため、電子・陽電子対が生成されると、電場は に等しい量だけエネルギーを失います。ここでは電子の静止質量、 は光速です。電子・陽電子対は電荷が中性であるため、電荷が保存されます。各対で、電子と陽電子は反対の速度とスピンで生成されるため、線運動量と角運動量が保存されます。実際、電子と陽電子は（ほぼ）静止状態で生成され、その後電場によって互いに加速されて離れると予想されます。^[4]${\displaystyle 2m_{\text{e}}c^{2}}$${\displaystyle m_{\text{e}}}$${\displaystyle c}$

一定電場におけるシュウィンガー対生成は、単位体積あたり一定の割合で起こり、一般に と呼ばれる。この割合はシュウィンガー^[3]によって初めて計算され、主次（1ループ）オーダー では${\displaystyle \ガンマ}$

${\displaystyle \Gamma ={\frac {(eE)^{2}}{4\pi ^{3}\hbar ^{2}c}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}\exp \left\{-{\frac {\pi m^{2}c^{3}n}{\hbar eE}}\right\}}$

ここで、は電子の質量、は素電荷、は電場の強さです。この式は のテイラー級数に展開できず、この効果の非摂動性を示しています。ファインマン図では、以下に示す 1 つの電子ループと、それぞれエネルギーがゼロである任意の数の外部光子脚を含む図の無限セットを合計することで、シュウィンガー対生成率を導くことができます。 ${\displaystyle m}$${\displaystyle e}$${\displaystyle E}$${\displaystyle e^{2}}$

量子電磁力学の本来のシュウィンガー効果は、極めて強い電場強度を必要とするため、これまで観測されたことがない。電場強度がシュウィンガー限界よりはるかに低い場合、対生成は指数関数的にゆっくりと進行し、これはおよそ10 ¹⁸  V/m。現在および計画中のレーザー施設では、これは実現不可能なほど強い電界強度であるため、プロセスを高速化し、観測に必要な電界強度を低減するためのさまざまなメカニズムが提案されています。

対生成率は時間依存の電場では大幅に増加する可能性があり、^{[5] [6] [7] 、}極限光インフラストラクチャなどの高強度レーザー実験によって追求されています。 [8]もう一つの可能​​性は、それ自体が強い電場を生成する高電荷の原子核を含めることです。 [ ^{9 ]}

電磁気的双対性により、磁場における同じメカニズムは、もし存在するならば磁気単極子を生成するはずである。 ^[10] MoEDAL実験による大型ハドロン衝突型加速器を用いた 探索では単極子は検出されず、分析により単極子質量の下限は95%信頼水準で75 GeV/ c ^{2。 [11]}

2022年1月、アンドレ・ガイム率いる国立グラフェン研究所の研究者らと他の協力者らは、六方晶窒化ホウ素（G/hBN）上のグラフェン超格子とねじれ二層グラフェン（TBG）のディラック点で電子と正孔の間の類似過程を観測したと報告した。ツェナー・クライン・トンネル効果（ツェナー・トンネル効果とクライン・トンネル効果の混合^[12]）としての解釈も利用されている。^{[13] [14] [15]} 2023年6月、  パリのエコール・ノルマル・シュペリュールの研究者らと協力者は、1次元形状のドープグラフェントランジスタにおけるシュウィンガー対生成率の定量測定を報告した。^[16]

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