强场中相对论性粒子九维相空间的精确模拟
计算物理
2021-06-02 v3 等离子体物理
摘要
下一代高功率激光可聚焦至超过 10^23 W/cm^2 的强度，正催生新物理与应用。此类激光与物质相互作用的物理高度非线性、相对论性，并可能涉及最低阶量子效应。当前建模这些相互作用的首选工具是粒子胞元（PIC）方法。在强场中，带电粒子的运动及其自旋受辐射反作用影响。标准 PIC 代码通常用 Boris 或其变体推进粒子，在强场 regime 下需极小时间步以获取准确结果。此外，某些问题需追踪粒子自旋，形成 9D 粒子相空间（x, u, s）。因此，亟需能在强场 regime 下高保真建模 9D 相空间的数值算法。我们提出一种基于位置、动量与自旋由洛伦兹力解析解推进的新型 9D 相空间粒子推进器，并结合 Landau-Lifshitz 方程中辐射反作用的半经典形式与 Bargmann-Michel-Telegdi 方程给出的自旋演化。这些解析解通过假设时间步内电磁场局域均匀恒定获得。解以粒子固有时给出 9D 相空间推进，并采用映射由模拟时间步确定各粒子的固有时步。由于解析积分，超强场中分辨轨迹所需时间步的限制可大幅放宽。我们给出单粒子与全 PIC 模拟，表明所提粒子推进器对给定激光场可大幅提升 9D 相空间粒子轨迹精度。并讨论了该推进器的数值效率。
引用
@article{arxiv.2007.07556,
title = {Accurately simulating nine-dimensional phase space of relativistic particles in strong fields},
author = {Fei Li and Viktor K. Decyk and Kyle G. Miller and Adam Tableman and Frank S. Tsung and Marija Vranic and Ricardo A. Fonseca and Warren B. Mori},
journal= {arXiv preprint arXiv:2007.07556},
year = {2021}
}