前沿进展 | 极端强激光产生的大电量、高密度极化正负电子束

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“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，中科院物理所李玉同研究员和中国人民大学物理系王伟民教授研究团队，利用自主开发的极化QED-PIC程序（PIC：particle-in-cell，粒子模拟），对未来的百拍瓦激光与固体相互作用中产生的大电量、高密度正负电子束的自旋极化进行了探索研究。他们发现采用激光固体靶实验上常用构型（即线偏振激光与具有预等离子体的固体靶相互作用）就可在百拍瓦激光装置上产生极化率30%、电量30纳库的正电子束，其角通量可达到10¹²sr^-1，在特定能量段上收集的正电子极化率可达到60%。该研究成果以“Dense Polarized Positrons from Laser-Irradiated Foil Targets in the QED Regime”为题于2022年7月11日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

自旋极化的正电子在高能物理，材料物理和实验室天体物理等领域具有广泛的用途。目前，传统极化正电子源是基于Bethe-Heitler机制通过圆偏振伽马光或纵向极化电子轰击高Z固体靶实现的，但是单发的正电子产额只有飞库量级（10^-15库仑），难以满足未来正负电子对撞机所需的纳库（10^-9库仑）以及极化正负电子等离子体物理研究中的要求。如何获得大电量、高密度的极化正电子束仍然是一个巨大的挑战。

利用极端强激光激发的强场量子电动力学（QED）效应也能产生极化的正电子束。近期国内外成功建造了数拍瓦、十拍瓦超强激光装置，并正在建造更强的百拍瓦量级激光装置，输出的激光强度能够达到10²³~10²⁵ W/cm²。这样的极端强激光与物质相互作用从目前的经典、相对论领域进入到强场量子电动力学（QED）主导的领域，可通过非线性Compton散射产生高能伽马光子，伽马光子又可以通过Breit-Wheeler过程湮灭为正负电子对。

国内外多项研究表明利用这样的激光与等离子体相互作用可以高效地产生正电子，然而这些正电子极化性质仍然不清楚，这是因为对以上问题进行研究的QED-PIC程序忽略了自旋极化效应。该团队继2016年开发了国内首个QED-PIC程序（arXiv:1608.06356）之后，在2021年开发了国际上首个包含电子/正电子自旋极化和光子偏振效应的QED-PIC程序（New Journal of Physics 23, 075005 (2021)），从而具备了研究此问题的能力。

03 研究亮点

该团队利用开发的QED-PIC程序对百拍瓦量级的激光和固体靶作用进行了研究，其中采用了常规的线偏振激光脉冲以及靶前表面有激光预脉冲产生的预等离子体。模拟结果表明，一旦激光强度超过10²⁴W/cm²，正负电子就会出现明显的极化，其极化率可以达到30%；并且此极化依赖于偏转角和能量，因此可以通过选择角度和能量获得60%的极化率（如图1所示）。

图1 (a) 激光固体靶相互作用产生极化正电子的方案：一束线偏振激光入射到一个在靶前具有微米密度标长的固体靶上。激光作用结束后，(b) 正电子数密度和 (c) 极化率关于横向偏转角和正电子能量的二维分布，以及关于横向偏转角的一维分布

激光场在高密度等离子体趋肤层附近被强烈地吸收和反射，但是正负电子可以自由地穿过此趋肤层，这导致它们在趋肤层附近经历了高度不对称的亚周期激光场，从而获得了具有角度依赖的自旋极化。产生的高密度的极化正负电子束可以用于研究极化正负电子等离子体物理，也可以经过后续加速后应用于未来正负电子对撞机中。

图2 正电子产额和极化率随 (a) 预等离子体密度标长和 (b) 激光场强的变化

04 总结与展望

该研究工作表明在未来的百拍瓦激光与固体相互作用实验中，一旦激光强度超过10²⁴ W/cm²时就很容易在等离子体趋肤层附近产生大量的极化正负电子。只要激光不能穿透高密度固体靶，此趋肤层就会形成，正负电子的极化机制就会起作用。

一方面，可以利用此极化机制高效地产生极化电子/正电子源，另一方面，在以离子加速、辐射源产生等其它应用为目的的固体靶实验中，此极化机制也很难避免。因此，在百拍瓦激光与高密度等离子体相互作用研究中强场QED理论的电子/正电子自旋和光子偏振效应需要认真考虑。

论文第一作者为博士生宋怀航，共同通讯作者为王伟民教授和李玉同教授。该研究工作得到了国家重点研发计划（2018YFA0404801）、国家自然科学基金委项目（11775302，11827807）、中国科学院战略性先导科技专项（XDA25050300，XDA25010300）的支持。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.093902

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编辑 | 方紫璇

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