論文の概要: Non-equilibrium quantum field theory of the free-electron laser in Keldysh formalism

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.05266v1
• Date: Thu, 04 Dec 2025 21:40:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-13 22:40:56.818912
• Title: Non-equilibrium quantum field theory of the free-electron laser in Keldysh formalism
• Title（参考訳）: ケルディシュ形式論における自由電子レーザーの非平衡量子場理論
• Authors: Loris Di Cairano,
• Abstract要約: プレパラタモデルに基づく自由電子レーザーの非平衡量子場理論を開発する。 定常ガウスビームに対して、自己エネルギーの遅延成分とケルディシュ成分の閉解析式を得る。 低周波では、この理論はランダウ・ギンズバーグ・ケルディッシュによる1つの複素モードの質量、成長速度、非線形性、およびビーム電流、エネルギー拡散、変形によって完全に決定される雑音強度の記述に還元される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We develop a non-equilibrium quantum field theory of the free-electron laser based on the Preparata model, using the real-time Keldysh formalism. Starting from a microscopic Lagrangian for a relativistic electron beam coupled to a single radiation mode, we construct a Keldysh functional integral, perform the large-N rescaling, and integrate out the electronic degrees of freedom. This yields an effective action for the FEL mode in which dispersion, gain, and noise are all generated by a single electronic self-energy built from the current correlations of the beam. For a stationary Gaussian beam, we obtain closed analytic expressions for the retarded and Keldysh components of the self-energy, which directly encode frequency pulling, gain reduction due to energy spread, and the noise spectrum experienced by the field. At low frequency, the theory reduces to a Landau-Ginzburg-Keldysh description of a single complex mode with a mass, growth rate, nonlinearity, and noise strength fully determined by beam current, energy spread, and detuning. In this framework, the FEL threshold appears as a continuous non-equilibrium phase transition in the laser universality class: the coherent field amplitude plays the role of an order parameter, while the amplitude of critical fluctuations is fixed by the microscopic noise kernel. The result is a minimal open quantum field theory analog of Vlasov-Maxwell FEL theory, in which gain, dispersion, and noise arise from a unified self-energy framework rather than from separate phenomenological ingredients.
• Abstract（参考訳）: 実時間ケルディシュ形式を用いたプレパラタモデルに基づく自由電子レーザーの非平衡量子場理論を開発する。 単一放射モードに結合した相対論的電子ビームのための顕微鏡ラグランジアンから始め、ケルディシュ関数積分を構築し、大きなN再スケーリングを行い、電子自由度を積分する。 これにより、分散、ゲイン、ノイズが全て、ビームの現在の相関から構築された単一の電子自己エネルギーによって生成されるFELモードに対する効果的な作用が得られる。 定常ガウスビームに対して、周波数引き込みを直接エンコードする自己エネルギーの遅延成分とケルディシュ成分の閉解析式、エネルギー拡散による低減、および磁場が経験する雑音スペクトルを求める。 低周波では、この理論はランダウ・ギンズバーグ・ケルディッシュによる1つの複素モードの質量、成長速度、非線形性、およびビーム電流、エネルギー拡散、変形によって完全に決定される雑音強度の記述に還元される。 この枠組みでは、FEL閾値はレーザー普遍性クラスにおける連続非平衡相転移として現れ、コヒーレント場振幅は秩序パラメータの役割を担い、臨界変動の振幅は顕微鏡ノイズカーネルによって固定される。 この結果は、Vlasov-Maxwell FEL理論の最小限のオープン場理論の類似であり、ゲイン、分散、ノイズは、別の現象学的要素からではなく、統一された自己エネルギーの枠組みから生じる。

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