Models and simulations of electron-positron pair cascades in time-dependent, non-uniform electric fields

La natura delle emissioni radio delle pulsar è, ad oggi, una questione aperta nella fisica delle alte energie, principalmente a causa della difficoltà intrinseca nel modellare il comportamento del plasma di elettroni e positroni che popolano la magnetosfera di questi corpi. La regione in esame è caratterizzata da condizioni fisiche estreme, essendo le pulsar i corpi celesti più compatti e più magnetizzati che conosciamo. Si pensa che la principale sorgente di questo plasma sia da ricercare in processi a cascata che portano alla creazione di coppie elettroni-positroni, oltre ad essere l'ingrediente principale per descrivere la natura delle caratteristiche emissioni radio delle pulsar. Questi processi consistono in cicli a feedback positivo di emissioni di raggi gamma, prodotti da radiazione di sincrotrone di elettroni e positroni da svariati TeV, e produzione di coppie. In questa Tesi presento i modelli analitici atti a descrivere le cascate nel contesto dell'elettrodinamica delle pulsar. Partendo da una descrizione dei meccanismi QED alla base, emissione di fotoni e produzione di coppie, si indaga lo sviluppo autoconsistente di cascate di coppie tenendo in considerazione la dipendenza temporale del campo elettrico e la sua disomogeneità spaziale. Lo stadio iniziale e la crescita esponenziale di questi eventi sono studiati nel caso di un campo elettrico lineare di fondo utilizzando un modello euristico del processo di produzione di coppie, mentre lo stadio di saturazione è analizzato puramente tramite analisi parametriche. I risultati analitici sono confermati utilizzando il codice PIC (particle-in-cell) OSIRIS, tramite il quale macro-particelle di plasma sono spinte su una griglia da forze derivanti dalla soluzione delle equazioni di Maxwell che, a loro volta, dipendono da campi elettrici, cariche e correnti autoconsistenti. Il metodo PIC si rivela fondamentale per ridurre l'elevato sforzo computazionale associato alla caratterizzazione cinetica della dinamica dei plasmi e alla presenza di diversi processi QED, in quanto intrinsecamente non-lineari. Seguendo l'approccio euristico, diverse configurazioni sono indagate con lo scopo di ricostruire e confermare i modelli analitici, insieme allo sviluppo di diverse analisi parametriche atte a trarre possibili considerazioni nello studio di questi plasmi ad alta energia.