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高能量密度正电子源与激光对撞机新方案

2017-05-20 09:34
小伊琳
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国防科技大学朱兴龙、余同普、银燕与上海交通大学盛政明等人提出基于超强激光与近临界密度等离子体相互作用的激光对撞机新方案,将产生高能量密度正负电子对的激光阈值成功降低到1022Wcm-2量级,理论预测了能量高达几个GeV的稠密(4×1022cm-3)正电子产生。

每种基本粒子都有一个与之对应的反粒子,美国科学家卡尔·安德森于1932年利用云室观测到一种除电荷相反外其他性质与电子完全相同的粒子,这是人类首次实验探测到反粒子——正电子。由于高能量密度正电子研究在军事、材料、能源等科学领域具有重要战略意义和应用前景,该领域已成为国际高能物理研究中的热点和难点。

爱因斯坦质能方程告诉我们,物质和能量可以相互转化。根据量子电动力学我们已知利用超强激光可以撕裂真空产生正负电子对,但所需要的激光强度比当前实验室可获得的激光强度高至少7个数量级。这极大地制约了人工产生高能量密度正电子的努力。

最近,国防科技大学朱兴龙、余同普、银燕与上海交通大学盛政明等人提出了基于超强激光与近临界密度等离子体相互作用的激光对撞机新方案,将产生高能量密度正负电子对的激光阈值成功降低到1022 Wcm-2量级,理论预测了能量高达几个GeV的稠密(4×1022cm-3)正电子产生。

图1 激光驱动高能稠密正电子产生原理图

该研究方案包含两个关键步骤,如图1所示:首先利用双束超强激光辐照由近临界密度等离子体填充的双锥靶,通过锥内相对论捕获电子激发高能伽马光子辐射;然后这些高能伽马光子与对向传播的激光场相互作用,通过多光子湮灭(即Breit-Wheeler过程)产生高能量密度正负电子对,从而有效提高了激光能量转化为伽马光子和正电子的效率。

图2 在36T0时刻(a)激光场、(b)伽马光子密度及(c)正电子密度空间分布图

图2给出的是在36T0(T0为激光周期,约3.3 fs)时激光电场、伽马光子数密度及正电子数密度的空间分布图。当强度为5×1022Wcm-2的超短超强激光与近邻界密度等离子体相互作用后,电子瞬间获得显著加速并向外辐射超强电磁辐射,这些辐射光子会对电子本身产生反作用即辐射阻尼力。

当辐射阻尼力比激光的横向有质动力大很多时,电子会被激光场直接捕获,形成一个高能量密度的电子束团,其密度高达40倍的临界密度。这些电子一边向激光传播的方向加速,一边在激光横向电场作用下振荡,向外辐射高能光子。三维数值模拟结果表明,其光子数密度最高达850倍的临界密度,总光子数达1015量级。由于该方案的对称性,两边形成的高能光子会和对向传播的激光光子直接作用产生大量高能正负电子对。

该研究方案具有低成本、小型化的优点,在几个厘米的尺度内即可实现高能正负电子的直接碰撞,其峰值亮度高达1033cm-2s-1,与当前世界主流正负电子对撞机的最高亮度相当。如果该方案的实验获得突破,将会显著减小加速器的造价和规模,在当前实验室即可产生高能量密度正负电子对并实现对撞,为高能物理和实验室天体物理乃至未来反物质武器研究开辟一条崭新途径。

正如Nature Communications三位审稿人所说:“该研究工作科学意义重大,一旦成功,将会对等离子体物理和高能物理研究领域产生深远影响”。目前,该研究团队正在和英国卢瑟福实验室、中国工程物理研究院、上海交通大学及上海光机所探讨开展联合实验的可行性。

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