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量子電磁力学(QED)において、シュウィンガー限界とは、電磁場が非線形になると予想されるスケールである。この限界は、 1931 年にフリッツ・ザウターによって QED の初期の理論的成功の 1 つです[ 1 ]で初めて導出され、ヴェルナー・ハイゼンベルクとその弟子であるハンス・ハインリヒ・オイラーによってさらに議論された[ 2 ]。 しかし、この限界は、文献では一般的に、場の主要な非線形補正を導出し、強い電場における電子-陽電子対生成率を計算したジュリアン・シュウィンガーにちなんで名付けられている [ 3 ]。[ 4 ]この限界は通常、真空における非線形になる前の 最大電場または最大磁場として報告される。
ここで、 m eは電子の質量、cは真空中の光速、 q eは素電荷、ħは換算プランク定数です。これらは非常に大きな電場強度です。このような電場は、陽子を静止状態から大型ハドロン衝突型加速器で陽子が到達する最大エネルギーまで、わずか約 5 マイクロメートルで加速することができます。磁場は真空の複屈折に関連しており、マグネターではこれを超えています。
真空中では、古典的なマクスウェル方程式は完全に線形な微分方程式です。これは、重ね合わせの原理により、マクスウェル方程式の任意の2つの解の和が、別のマクスウェル方程式の解になることを意味します。たとえば、交差する2つの光線は、それぞれの電場を単純に足し合わせ、互いにすれ違うはずです。したがって、マクスウェル方程式は、自明な弾性光子-光子散乱以外のあらゆる散乱は不可能であると予測します。しかし、QEDでは、結合エネルギーが十分に大きく、仮想電子-陽電子対が自発的に生成される場合、非弾性光子-光子散乱が可能になります。これは、隣の図のファインマン図で示されています。これにより、オイラーとハイゼンベルクの非線形マクスウェル方程式によって近似的に記述される非線形効果が生じます。
単一の平面波では、QEDにおいても非線形効果を引き起こすには不十分である。[ 4 ]その基本的な理由は、特定のエネルギーを持つ単一の平面波は、常に異なる参照系で観測される可能性があり、その参照系ではエネルギーが低くなるからである（単一の光子の場合も同様である）。単一の波や光子には、そのエネルギーが最小値となるような運動量中心系は存在しない。しかし、同じ方向に進まない2つの波または2つの光子は、常にその運動量中心系で最小の合成エネルギーを持ち、このエネルギーとそれに関連する電場強度が、粒子と反粒子の生成、およびそれに関連する散乱現象を決定する。
真空中の光子-光子散乱および非線形光学のその他の効果は、活発な実験研究分野であり、現在または計画中の技術はシュウィンガー限界に近づき始めている。[ 5 ] SLAC実験144では、非弾性チャネル を通じて既に観測されている。[ 6 ] [ 7 ] しかし、弾性散乱における直接効果は観測されていない。2012年現在、弾性光子-光子散乱断面積に対する最良の制約はPVLASによるものであり、標準模型で予測されるレベルをはるかに上回る上限が報告されている。[ 8 ]
LHCで衝突するハドロンの強い電磁場を利用して、弾性光子散乱を測定する提案がなされた。[ 9 ] 2019年、 LHCのATLAS実験は、鉛イオン衝突で観測された光子-光子散乱の最初の決定的な観測を発表した。この衝突では、最大で10 25 V/mであり、シュウィンガー限界をはるかに超えている。[ 10 ]標準模型で予測される断面積よりも大きい、または小さい断面積の観測は、アクシオンなどの新しい物理現象を示唆する可能性があり、アクシオンの探索は PVLAS およびいくつかの同様の実験の主要な目標である。ATLAS は予想よりも多くの事象を観測しており、断面積が標準模型で予測されるよりも大きいという証拠となる可能性があるが、超過分はまだ統計的に有意ではない。[ 11 ]
計画され資金提供を受けているELI（超高強度場施設）は、強度の限界における光を研究する予定であり、シュウィンガー限界[ 12 ]をはるかに下回る可能性が高いが、それでもいくつかの非線形光学効果を観測することは可能かもしれない[ 13 ] 。ステーション・オブ・エクストリーム・ライト（SEL）は、効果を観測するのに十分なパワーを持つはずの別の建設中のレーザー施設である[ 14 ] 。超高強度光が電子対生成を引き起こすこのような実験は、一般メディアでは時空に「ヘルニア」を作り出すものとして説明されている[ 15 ] 。
