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激光在近临界密度等离子体中产生的稠密GeV正负电子对

发布时间: 2017-08-20 15:07:15   作者:本站编辑   来源: Nature Communications   浏览次数:

  

   

  正负电子对的产生是一个基本的量子电动力学(QED)效应,它对各种应用有着潜在的价值,例如基础核和粒子物理、实验室天体物理、等离子体物理、放射材料科学和医学应用。超高激光强度下,激光-物质相互作进入近量子电动力学范畴并涉及以下两个关键过程:1)在超强激光场中的相对论电子振荡产生的高能光子吸收;(2)双光子湮灭过程产生的正负电子对,即多光子布莱特-惠勒(BW)过程。

  在非线性康普顿散射过程中,当一个电子吸收多个激光光子时,它可以辐射高能光子。辐射光子的传播通过激光场,通过多光子布莱特-惠勒(BW)过程与激光波相互作用产生正负电子对。本文中,作者提出通过使用在临界密度等离子体中相向传播的一对激光脉冲来实现在全光学构型下的两束激光和两束电子束,因而可以实现两对激光和电子的同时碰撞,这可以显著提高通过布莱特-惠勒(BW)过程发射γ光子和产生正负电子对的效率。

  1实验设置的示意图

  1给出了实验设置的示意图,两个相向传播的激光脉冲与近临界密度等离子体在一个双圆锥靶内相互作用。在这个方案中, 通过在激光轴的近临界密度等离子体中捕获高能电子来发射高能量密度γ光子,再被强激光场加速。当γ光子与从另一个方向来的聚焦的相向传播激光波碰撞时,可以通过多光子布莱特-惠勒过程有效的产生正负电子束。在近临界密度等离子体中产生的正电子束可以和其他近临界密度等离子体中加速的电子束相互作用,类似于一个微小的正负电子对撞机。这种高能系统可以作为各种非线性量子物理学的测试平台。

  在几十飞秒的激光周期时间内产生高能量密度对等离子体可以开拓新的研究,包括天体物理学集体量子电动力学现象和实验室高能粒子物理。作者的方案提供了一个有效的方法用于产生高能量密度电子、正电子、γ光子和潜在的其他粒子,这可以得到诸多应用。例如,这个实验配置尤其适合应用在非传统的台式化正负电子对撞机上:正电子/电子束和被捕获的高能电子束都在近临界密度等离子体中产生;当一个近临界密度等离子体中的电子束与在另一个近临界密度等离子体中的正电子束流正面碰撞时,可以实现一个紧凑型的正负电子对撞机。如果运用下一代激光设备,可以预测总的正电子数目会达到6×1013,其中有3×1011个正电子能量范围在22.5GeV之间。这个数字高于当前激光等离子体实验探测到的几百万倍,这个实验信号强大到足以在单发实验条件下被检测到。假设在所有的维度下都有相同的束尺寸和和高斯轮廓,保守估计,例如4-5GeV中心质量的正负电子对撞机的峰值亮度能达到1033cm-2s-1,这与目前世界范围的对撞机是可比拟的。

摘译自:Zhu X L, Yu T P, Sheng Z M, et al. Dense GeV electronpositron pairs generated by lasers in near-critical-density plasmas[J]. Nature Communications, 2016, 7.

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