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北大颜学庆卢海洋团队提出激光驱动光子对撞

发布时间:2020-02-15 15:56:30

北大颜学庆卢海洋团队提出激光驱动光子对撞机设计新方案

随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的发展,特别是拍瓦(PW,1PW=1x1015瓦)激光器的建成,激光光强可以达到1023W/cm2以上。超强激光与物质相互作用是一种极端非线性过程,不仅可以用于电子、质子和重离子的加速,也可以产生从太赫兹到X/γ射线的超短超强宽带相干辐射。正是由于CPA激光在粒子加速和辐射领域的重要潜力和贡献,Mourou and Strickland获了2018年度诺贝尔物理奖。

光子(能量)在特定条件下可以转化成物质,这对研究物质的起因有重要的意义。相关的理论研究始于上世纪30年代,直到1997年,美国SLAC国家加速器实验室首次在实验上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相互作用产生正负电子对的过程,也就是常说的光子对撞机,受制于已有伽马射线源的流强和亮度不够高,迄今为止还未被在实验中观测到。

近年来,随着激光技术的发展,特别是10拍瓦(1拍瓦 = 1×1015瓦)激光器的建成,激光光强得到极大地提高,预测可以达到1×1023 W/cm3以上。当如此高强度的激光与物质相互作用时,大部分激光能量将被物质吸收并转化成伽马射线,若能同时有效控制伽马射线的发散角,伽马射线源将会达到前所未有的流强和亮度。

在“大科学装置前沿研究”重点专项等的支持下,北京大学物理学院颜学庆、卢海洋研究团队针对实验上双光子相互作用产生正负电子对这一世界性科学难题,开展了系统深入的研究。前期工作中,他们研究了如何产生超高亮度伽马辐射源,提出了10拍瓦量级激光驱动光子对撞机的设计方案,从理论方面深入阐明了微通道结构靶中电子的加速过程由纵向电场主导,电子的横向加速得到有效抑制,因此利于获得高准直性的电子束,当这些电子束在横向电场中的相位发生反转时,电子就会在管道边界处产生强的伽马辐射。

电子的发散角决定着伽马辐射的发散角,数值模拟显示,10拍瓦激光所获得的发散角约为3度,具有非常好的准直性,所获伽马射线源的亮度比之前研究报道结果高出两个数量级。基于该超高亮度的伽马射线源,研究人员将其应用于光子对撞机。理论模拟表明,该方案每一次对撞可以产生3亿多个正负电子对,同时背景噪声得到有效抑制,信噪比高于1000:1,且每一次对撞的正负电子对信号(1×108)远高于现有测量技术的探测极限。

该设计方案可以在实验室中验证光子相互作用过程中能量到物质的转换过程,为研究激光驱动光子对撞机提供了新途径,也有望为未来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提供依据。

在国家自然科学基金项目(批准号:,,,和)、国家重大科技基础设施培育项目和国家重大仪器专项等支持下,北京大学颜学庆教授团队在激光等离子体加速领域取得重要进展,基于高品质拍瓦激光,实验上首次利用人工设计的微纳靶材,获得了能量高达580兆电子伏特的碳离子,将原飞秒激光加速重离子能量记录提高了两倍;并提出采用微结构管靶获得产额1014/发和发散角小于3度的超高亮度伽马辐射源新方案,亮度比之前研究报道结果高出两个数量级。相关结果以“Creation of Electron-positron Pairs in Photon-photon Collisions Driven by 10-PW Laser Pulses”(基于十拍瓦激光的光子对撞与正负电子对产生新方案)和“Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”(双层靶激光级联加速产生高能碳离子)为题,于2019年1月9日和10日连续发表于Physical Review Letters(《物理评论快报》)上。

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