高能量密度正電子源與雷射對撞機新方案

2020-12-04 OFweek維科網

國防科技大學朱興龍、餘同普、銀燕與上海交通大學盛政明等人提出基於超強雷射與近臨界密度等離子體相互作用的雷射對撞機新方案，將產生高能量密度正負電子對的雷射閾值成功降低到1022Wcm-2量級，理論預測了能量高達幾個GeV的稠密(4×1022cm-3)正電子產生。

每種基本粒子都有一個與之對應的反粒子，美國科學家卡爾·安德森於1932年利用雲室觀測到一種除電荷相反外其他性質與電子完全相同的粒子，這是人類首次實驗探測到反粒子——正電子。由於高能量密度正電子研究在軍事、材料、能源等科學領域具有重要戰略意義和應用前景，該領域已成為國際高能物理研究中的熱點和難點。

愛因斯坦質能方程告訴我們，物質和能量可以相互轉化。根據量子電動力學我們已知利用超強雷射可以撕裂真空產生正負電子對，但所需要的雷射強度比當前實驗室可獲得的雷射強度高至少7個數量級。這極大地制約了人工產生高能量密度正電子的努力。

最近，國防科技大學朱興龍、餘同普、銀燕與上海交通大學盛政明等人提出了基於超強雷射與近臨界密度等離子體相互作用的雷射對撞機新方案，將產生高能量密度正負電子對的雷射閾值成功降低到1022 Wcm-2量級，理論預測了能量高達幾個GeV的稠密(4×1022cm-3)正電子產生。

圖1 雷射驅動高能稠密正電子產生原理圖

該研究方案包含兩個關鍵步驟，如圖1所示：首先利用雙束超強雷射輻照由近臨界密度等離子體填充的雙錐靶，通過錐內相對論捕獲電子激發高能伽馬光子輻射；然後這些高能伽馬光子與對向傳播的雷射場相互作用，通過多光子湮滅（即Breit-Wheeler過程）產生高能量密度正負電子對，從而有效提高了雷射能量轉化為伽馬光子和正電子的效率。

圖2 在36T0時刻(a)雷射場、(b)伽馬光子密度及(c)正電子密度空間分布圖

圖2給出的是在36T0（T0為雷射周期，約3.3 fs）時雷射電場、伽馬光子數密度及正電子數密度的空間分布圖。當強度為5×1022Wcm-2的超短超強雷射與近鄰界密度等離子體相互作用後，電子瞬間獲得顯著加速並向外輻射超強電磁輻射，這些輻射光子會對電子本身產生反作用即輻射阻尼力。

當輻射阻尼力比雷射的橫向有質動力大很多時，電子會被雷射場直接捕獲，形成一個高能量密度的電子束團，其密度高達40倍的臨界密度。這些電子一邊向雷射傳播的方向加速，一邊在雷射橫向電場作用下振蕩，向外輻射高能光子。三維數值模擬結果表明，其光子數密度最高達850倍的臨界密度，總光子數達1015量級。由於該方案的對稱性，兩邊形成的高能光子會和對向傳播的雷射光子直接作用產生大量高能正負電子對。

該研究方案具有低成本、小型化的優點，在幾個釐米的尺度內即可實現高能正負電子的直接碰撞，其峰值亮度高達1033cm-2s-1，與當前世界主流正負電子對撞機的最高亮度相當。如果該方案的實驗獲得突破，將會顯著減小加速器的造價和規模，在當前實驗室即可產生高能量密度正負電子對並實現對撞，為高能物理和實驗室天體物理乃至未來反物質武器研究開闢一條嶄新途徑。

正如Nature Communications三位審稿人所說：「該研究工作科學意義重大，一旦成功，將會對等離子體物理和高能物理研究領域產生深遠影響」。目前，該研究團隊正在和英國盧瑟福實驗室、中國工程物理研究院、上海交通大學及上海光機所探討開展聯合實驗的可行性。

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