Towards a Comprehensive Model of Radiation Reaction: Delayed Interactions Analysis. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) Full Dissertation Musah Alhassan.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 14 September 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تُعد قوة رد فعل الإشعاع، التي تنشأ من فقدان الطاقة والزخم عند تسارع جسيم مشحون وانبعاث إشعاع منه، أحد أكثر التحديات إلحاحًا في الديناميكا الكهربائية. وبينما تُجسد النماذج الكلاسيكية، مثل معادلة لورنتز-أبراهام-ديراك (LAD)، هذا التأثير، إلا أنها تعاني من حلول غير متوقعة، وتسارع مسبق، وانتهاكات للعلاقة السببية. تُعالج المناهج البديلة، مثل تقريب لاندو-ليفشيتز (LL)، ونظريات الامتصاص، وتصحيحات الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED)، بعض هذه المشكلات، إلا أنها غير متسقة في أنظمة المجال القوي أو النسبية. تُقدم هذه الدراسة صياغة قائمة على التأخير لتفاعل الإشعاع، والتي تُراعي صراحةً السرعة المحدودة لانتشار التفاعل الكهرومغناطيسي. يُظهر التعامل مع تأخيرات التفاعل على أنها تعتمد على الحالة ونمذجتها احتماليًا أن مصطلحات التصحيح الشبيهة بمعادلة LAD تظهر بشكل طبيعي كمساهمات من الدرجة الأعلى في التمدد المتقارب. يحافظ هذا النهج على السببية، ويتجنب عدم الاستقرار الجامح، ويُؤطّر تفاعل الإشعاع كمظهر من مظاهر التفاعلات المتأخرة بدلاً من تصحيحٍ ارتجالي. وقد تم التحقق من صحة النموذج المقترح من خلال محاكاة عددية لديناميكيات الجسيمات المشحونة باستخدام مُحَلِّلات MATLAB للمعادلات التفاضلية العادية ومعادلات التأخير. ويُظهر تحليلٌ مُقارنٌ بمعادلات كولومب، وLAD، ومعادلات تفاعل الإشعاع المتأخر المُعدّلة في سيناريوهات التصادم، واللولب، والتباعد، أن النموذج القائم على التأخير يُعطي السلوك الأكثر استقرارًا وواقعيةً من الناحية الفيزيائية. فهو يُسجّل باستمرار مسارات التخميد واللولب الداخلي، والتي تتفق مع فقدان الطاقة المتوقع بسبب الإشعاع. وتُرسّخ هذه النتائج التفاعلات المتأخرة كإطار عملٍ متينٍ ومتسقٍ سببيًا لنمذجة تفاعلات الإشعاع. ولهذا آثارٌ مُباشرةٌ على فيزياء الليزر عالي الكثافة، وتصميم مُسرّعات الجسيمات، والبلازما الفيزيائية الفلكية، وتجارب الكهروضوئية الكمومية ذات المجال القوي.

English Abstract

The radiation reaction force, which arises from the loss of energy and momentum when a charged particle accelerates and emits radiation, is one of the most persistent challenges in electrodynamics. While classical models, such as the Lorentz-Abraham-Dirac (LAD) equation, capture this effect, they suffer from runaway solutions, pre-acceleration, and causality violations. Alternative approaches, such as the Landau–Lifshitz (LL) approximation, absorber theories, and Quantum Electrodynamic (QED) corrections, address some of these issues, yet they are inconsistent in strong-field or relativistic regimes. This study introduces a delay-based interaction of the radiation reaction that explicitly considers the finite speed propagation of electromagnetic interaction. This delayed interaction is treated as state-dependent and modeled probabilistically, demonstrating that LAD-like correction terms naturally emerge as higher-order contributions in a convergent expansion. This approach preserves causality, avoids runaway instabilities, and frames radiation reaction as a manifestation of retarded interactions rather than an ad hoc correction. The proposed model is validated through numerical simulations of charged particle dynamics using MATLAB solvers for ordinary and delay differential equations. A comparative analysis with the Coulomb, LAD, and delayed interaction equations in collision, spiral, and divergence cases shows that the delay-based model yields the most stable behavior. These results establish delayed interactions as a robust, causally consistent framework for modeling radiation reactions. This has direct implications for high-intensity laser physics, particle accelerator design, astrophysical plasmas, and strong-field QED experiments.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Physics Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Alharbi, Fahhad
Committee Co-Advisor:	Furati, Khalid
Committee Members:	Muqaibel, Ali and Alhassoun, Mohammed and Albeladi, Ali
Depositing User:	MUSAH ALHASSAN (g202112250)
Date Deposited:	16 Sep 2025 10:21
Last Modified:	16 Sep 2025 10:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143701