DOI: https://doi.org/10.1103/g1xl-s2j5
تاريخ النشر: 2026-01-29
المؤلف: A. Yu. Murtazin وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكهرومغناطيسية الكمومية والتقليدية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نحقق في خصائص انبعاث الفوتونات للجسيمات المشحونة عديمة الدوران التي تظهر دوامات الطور وإسقاطات الزخم الزاوي المداري (OAM) عند تعرضها لحقول كهربائية ومغناطيسية طولية، كما هو موضح ضمن إطار الديناميكا الكهربائية الكمومية القياسية (QED). من خلال نمذجة حزمة موجية واقعية لإلكترون أو أيون يتم تسريعه بواسطة موجة تردد راديو، نوضح أن هذه الجسيمات تتعرض لحقل ثابت ومتجانس مكانيًا، مما يسهل تحليل فقدان الزخم الزاوي بسبب انبعاث الفوتونات.
تشير نتائجنا إلى أنه، تحت الظروف النموذجية الموجودة في مرافق المسرعات، يتجاوز العمر الفعال لحالة الدوامة بشكل كبير زمن التسارع. وهذا يشير إلى أن تسريع الإلكترونات والايونات والميونات الدوامية إلى طاقات نسبية ممكن ضمن المسرعات الخطية التقليدية (linacs). علاوة على ذلك، نستنتج أن الخسائر في OAM الناتجة عن انبعاث الفوتونات تعتبر ضئيلة إلى حد كبير، مما يبرز قوة حالة الدوامة الكمومية ضد مثل هذه الخسائر.
مقدمة
في مقدمة هذه الورقة البحثية، يتناول المؤلفون تعقيدات انبعاث الفوتونات بواسطة الجسيمات المشحونة في نظرية الحقل الكمومي (QFT)، خاصة عندما يتم تسريع هذه الجسيمات في حقول كهرومغناطيسية خارجية. يبرزون التمييز بين العمليات الثابتة وغير الثابتة، مشيرين إلى أن نظرية الاضطراب النسبية التقليدية، التي تعتمد على حالات كمومية ثابتة، تفشل في وصف الطبيعة غير الثابتة لانبعاث الفوتونات خلال فترات تسارع محدودة. يتم توضيح هذا القيد من خلال ظواهر مثل تأثير لاندو-بوميرانشوك-ميجدال، التي تتأثر بتأثيرات طول التكوين.
للتغلب على هذه التحديات، يقترح المؤلفون نموذجًا فعالًا لانبعاث الفوتونات بواسطة الجسيمات المشحونة القياسية، مع التركيز بشكل خاص على دوامات الطور ضمن إطار اضطراب غير ثابت نسبي. يؤكدون أنه في مرافق المسرعات الحديثة، تتعرض الجسيمات لحقل كهربائي ثابت ومتجانس بسبب كون حزمها الموجية أصغر بكثير من طول الموجة المسرعة. من خلال استخدام إجراء تكراري يعتمد على نهج وينتزل-كرامرز-بريلوي، يركز المؤلفون على حالات الجسيم الواحد مع فراغ مستقر، مما يتجنب التعقيدات الناتجة عن إنشاء أزواج الإلكترون-البوزيترون. تشير نتائجهم إلى أن الوقت الذي تستغرقه الجسيمات الدوامية لفقدان الزخم الزاوي المداري بسبب انبعاث الفوتونات هو أطول بكثير من الوقت النموذجي للعبور في المسرعات، مما يشير إلى إمكانية تسريع الجسيمات الدوامية واستكشاف ظواهر كمومية جديدة تتجاوز الحالات التقليدية.
النتائج
تشير النتائج إلى قمع كبير للزخم العرضي الكبير ($k_\perp$) والزخم الزاوي المداري (OAM) في عمليات انبعاث الفوتونات. يتم تعريف الحد الأقصى لـ $k_\perp$ كـ $k_{\perp,\text{max}} \sim 2 \rho H = m_H H c$، حيث يسمح العامل الأسي بالتكامل على حدود محدودة. تكشف التحليلات العددية أن الحقل الكهربائي لا يغير هذا الحد بشكل كبير، كما هو موضح في الأشكال المرفقة.
تظهر الاحتمالية التفاضلية لانبعاث الفوتونات، $dW/dp’_{z}$، اعتمادًا قويًا على الزخم الطولي $p’_{z}$، حيث تصل إلى ذروتها حول $p’_{z} = p_{z}$. يشير هذا التمركز إلى أن انبعاث الفوتونات ينشأ بشكل أساسي من الإلكترونات التي تتماشى زخمها الطولي في الحالات النهائية بشكل وثيق مع زخمها الابتدائي، مما يشير إلى تفضيل لانبعاث الفوتونات منخفضة الطاقة. يتم حصر التكامل على $p’_{z}$ في فترة ضيقة من $p’_{z} \in [p_{z} – 3\sqrt{2}\sigma, p_{z} + 3\sqrt{2}\sigma]$، مما يتماشى مع مقياس التمركز. علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن الانبعاثات ذات OAM الأكبر تتعرض لقمع كبير، مما يعزز الاستنتاج بأن انبعاثات الفوتونات ذات OAM المنخفضة مفضلة في هذه العمليات.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون استقرار الجسيمات المشحونة، وخاصة الإلكترونات ذات الزخم الزاوي المداري (OAM)، أثناء التسارع في وجود حقول كهربائية ومغناطيسية. يجادلون بأنه مع تسارع الإلكترون إلى سرعات نسبية، يبقى حالته الكمومية مستقرة ضد انبعاث الفوتونات الملتوية، التي من شأنها أن تحمل بعيدًا زخمها الزاوي. يظهر أن عمر حالة الإلكترون، المشار إليه بـ $\tau$، يزداد مع الطاقة، مما يجعل انبعاث الفوتونات التي تغير OAM أقل احتمالًا بشكل متزايد. يبرز المؤلفون أن احتمال الانبعاث يتأثر بطول التماسك لحزمة الإلكترون الموجية وقوة الحقل الكهربائي الخارجي، حيث تظهر الحزم الأقصر استقلالًا تقريبًا عن قوة الحقل.
تكشف التحليلات أن الانتقالات التي تتضمن تغييرات صغيرة في OAM تهيمن، بينما تلك التي تتضمن تغييرات كبيرة تتعرض لقمع كبير. كما يشير المؤلفون إلى أن احتمال الانبعاث يبقى صغيرًا عبر مختلف قوى الحقول ذات الصلة بمرافق المسرعات، وأن عمر حالة OAM أكبر بكثير من زمن العبور عبر المسرع. يتم دعم هذه القوة لحالات الدوامة من خلال دراسات مكملة، مما يبرز استقرار هذه الحالات حتى تحت حقول كهربائية قوية. بشكل عام، تؤكد النتائج على مرونة الحالات الكمومية للإلكترونات المسرعة ضد الانتقالات الإشعاعية، وهو أمر حاسم للتطبيقات في الفيزياء عالية الطاقة وتكنولوجيا المسرعات.
DOI: https://doi.org/10.1103/g1xl-s2j5
Publication Date: 2026-01-29
Author(s): A. Yu. Murtazin et al.
Primary Topic: Quantum and Classical Electrodynamics
Overview
In this study, we investigate the photon emission characteristics of charged spinless particles exhibiting phase vortices and orbital angular momentum (OAM) projections when subjected to longitudinal electric and magnetic fields, as described within the framework of scalar quantum electrodynamics (QED). By modeling a realistic wave packet of an electron or ion accelerated by a radio-frequency wave, we demonstrate that these particles experience a constant and spatially homogeneous field, which facilitates the analysis of angular momentum loss due to photon emission.
Our findings indicate that, under typical conditions found in accelerator facilities, the effective lifetime of the vortex state significantly surpasses the acceleration time. This suggests that the acceleration of vortex electrons, ions, and muons to relativistic energies is feasible within conventional linear accelerators (linacs). Furthermore, we conclude that the losses in OAM resulting from photon emission are largely negligible, highlighting the robustness of the vortex quantum state against such losses.
Introduction
In the introduction of this research paper, the authors address the complexities of photon emission by charged particles in quantum field theory (QFT), particularly when these particles are accelerated in external electromagnetic fields. They highlight the distinction between stationary and nonstationary processes, noting that traditional relativistic perturbation theory, which relies on stationary quantum states, fails to adequately describe the nonstationary nature of photon emission during finite acceleration intervals. This limitation is exemplified by phenomena such as the Landau-Pomeranchuk-Migdal effect, which are influenced by formation length effects.
To overcome these challenges, the authors propose an effective model for photon emission by scalar charged particles, specifically focusing on phase vortices within a relativistic nonstationary perturbation framework. They emphasize that in modern accelerator facilities, particles experience a constant and homogeneous electric field due to their wave packets being significantly smaller than the accelerating wave’s length. By employing an iterative procedure based on the Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approach, the authors maintain a focus on one-particle states with a stable vacuum, thus avoiding complications from electron-positron pair creation. Their findings indicate that the time for vortex particles to lose orbital angular momentum due to photon emission is considerably longer than the typical time-of-flight in accelerators, suggesting the feasibility of accelerating vortex particles and exploring new quantum phenomena beyond conventional states.
Results
The results indicate a significant suppression of large transverse momenta ($k_\perp$) and orbital angular momentum (OAM) in photon emission processes. The cutoff for $k_\perp$ is defined as $k_{\perp,\text{max}} \sim 2 \rho H = m_H H c$, where the exponential factor allows for integration over finite limits. Numerical analysis reveals that the electric field does not substantially alter this cutoff, as illustrated in the accompanying figures.
The differential probability of photon emission, $dW/dp’_{z}$, demonstrates a strong dependence on the longitudinal momentum $p’_{z}$, peaking around $p’_{z} = p_{z}$. This localization suggests that photon emissions predominantly arise from electrons with final states’ longitudinal momentum closely aligned with their initial momentum, indicating a preference for low-energy photon emissions. The integration over $p’_{z}$ is confined to a narrow interval of $p’_{z} \in [p_{z} – 3\sqrt{2}\sigma, p_{z} + 3\sqrt{2}\sigma]$, aligning with the localization scale. Furthermore, the results show that emissions with larger OAM are significantly suppressed, reinforcing the conclusion that low OAM photon emissions are favored in these processes.
Discussion
In this section, the authors discuss the stability of charged particles, specifically electrons with orbital angular momentum (OAM), during acceleration in the presence of electric and magnetic fields. They argue that as an electron is accelerated to relativistic speeds, its quantum state remains stable against the emission of twisted photons, which would otherwise carry away its angular momentum. The lifetime of the electron’s state, denoted as $\tau$, is shown to increase with energy, making the emission of OAM-changing photons increasingly improbable. The authors highlight that the emission probability is influenced by the coherence length of the electron wave packet and the strength of the external electric field, with shorter packets exhibiting a near independence from the field strength.
The analysis reveals that transitions involving small changes in OAM dominate, while those with large changes are significantly suppressed. The authors also note that the emission probability remains small across various field strengths relevant to accelerator facilities, and the lifetime of the OAM state is much greater than the transit time through the accelerator. This robustness of vortex states is further supported by complementary studies, emphasizing the stability of these states even under strong electric fields. Overall, the findings underscore the resilience of the quantum states of accelerated electrons against radiative transitions, which is crucial for applications in high-energy physics and accelerator technology.