激光驱动光子对撞机的新方案

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北京大学物理学院颜学庆教授和卢海洋研究员领导的课题组提出了激光驱动光子对撞机的新方案,该方案每脉冲可以产生3亿个Breit-Wheeler事件,并且所产生的正负电子对发散角只有7度,具有非常好的准直性。同时,背景噪声可以得到有效抑制,信噪比高达1000:1。研究成果以 “Creation of electron-positron pairs in photon-photon collisions driven by 10-PW laser pulses”为题在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

根据爱因斯坦质能方程和量子电动力学理论,在一定条件下光子(能量)可以转化成物质,这对研究物质的起因有重要的作用。相关的理论研究始于上世纪30年代,直到1997年美国SLAC实验室才首次在实验中观测到多光子碰撞产生正负电子对的过程。然而,对于两个高能光子的互作用过程,也就是常说的光子对撞机,到目前为止还未能在实验中观测到。在光子对撞机中,光子的互作用的次数与光子数目和光子互作用截面成正比,与光子束的脉冲宽度、两束光子束的交叠面积成反比。在过去实验中不能观测到光子的互作用过程是因为已有伽马射线源的流强和亮度还达不到要求。

近年来,随着激光技术的发展,特别是10拍瓦(1拍瓦=1e15瓦)激光器的建成,激光光强将可以达到1e23W/cm3以上。当如此高强度的激光与物质相互作用时,大部分激光能量被吸收并转化成伽马射线辐射源,如果可以有效控制伽马射线的发散角,辐射的伽马射线将会达到前所未有的流强和亮度。

团队研究人员在前期的工作中对产生超高亮度伽马光源进行了深入的研究,首次从理论上系统阐明了微通道结构靶中,纵向电场主导了电子的加速过程,同时电子的横向加速可以得到有效的抑制,因此可以获得高准直性的电子束,当这些电子束在横向场中的相位发生反转时,电子就会在管道边界处产生强伽马辐射。由于电子的发散角决定了伽马辐射的发散角,因此可以获得准直性非常好的γ-ray辐射源。数值模拟中10PW激光所能获得的发散角小于3度,亮度比之前研究报道结果高出两个数量级的伽马辐射源。

图1. 激光驱动光子对撞机产生正负电子对的方案设计图2. 本方案可以获得高出之前2-3量级的伽马光源亮度

本工作即基于以上研究成果,将该超高亮度的伽马射线应用于光子对撞机。理论计算结果表明,该方案可以获得超高信噪比(>1000:1),且每一发正负电子对信号(>1e8)远高于现有测量技术的探测极限。因此,通过该方案可以在实验室中验证光子互作用过程中由能量到物质的转换过程,将提供激光驱动光子对撞机研究的新途径,也将极大的促进双光子BW物理的发展。未来有望依据本方案建设基于重频拍瓦飞秒激光的高亮度伽马源及其应用装置。

北京大学物理学院博士后余金清为论文第一作者。颜学庆教授和卢海洋研究员为通讯作者。论文合作者还包括北京大学的陈佳洱院士、马文君研究员,広岛大学的T. Takahashi教授,高能物理所的黄永盛研究员。该研究工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发专项、挑战计划和中国博士后科学基金的联合资助。相关模拟工作得到北京大学高性能计算平台的支持。

相关文章链接:

Phys. Rev. Lett. 122, 014802 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014802

Appl. Phys. Lett. 112, 204103 (2018) https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5030942

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