日前，北京大學(xué)物理學(xué)院顏學(xué)慶教授和盧海洋研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)的新方案，該方案每脈沖可以產(chǎn)生3億個(gè)Breit-Wheeler事件，并且所產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)發(fā)散角只有7度，具有非常好的準(zhǔn)直性。同時(shí)，背景噪聲可以得到有效抑制，信噪比高達(dá)1000:1。研究成果以“Creation of electron-positron pairs in photon-photon collisions driven by 10-PW laser pulses”為題在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的方案設(shè)計(jì)

根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程和量子電動(dòng)力學(xué)理論，在一定條件下光子（能量）可以轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，這對(duì)研究物質(zhì)的起因有重要的作用。相關(guān)的理論研究始于上世紀(jì)30年代，直到1997年，美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室才首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到多光子碰撞產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過(guò)程。然而，對(duì)于兩個(gè)高能光子的互作用過(guò)程，也就是常說(shuō)的光子對(duì)撞機(jī)，到目前為止還未能在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。在光子對(duì)撞機(jī)中，光子的互作用的次數(shù)與光子數(shù)目和光子互作用截面成正比，與光子束的脈沖寬度、兩束光子束的交疊面積成反比。在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中不能觀測(cè)到光子的互作用過(guò)程是因?yàn)橐延匈ゑR射線源的流強(qiáng)和亮度還達(dá)不到要求。

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是10拍瓦(1拍瓦=1e15瓦)激光器的建成，激光光強(qiáng)將可以達(dá)到1e23W/cm3以上。當(dāng)如此高強(qiáng)度的激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，大部分激光能量被吸收并轉(zhuǎn)化成伽馬射線輻射源，如果可以有效控制伽馬射線的發(fā)散角，輻射的伽馬射線將會(huì)達(dá)到前所未有的流強(qiáng)和亮度。

團(tuán)隊(duì)研究人員在前期的工作中對(duì)產(chǎn)生超高亮度伽馬光源進(jìn)行了深入的研究，首次從理論上系統(tǒng)闡明了微通道結(jié)構(gòu)靶中，縱向電場(chǎng)主導(dǎo)了電子的加速過(guò)程，同時(shí)電子的橫向加速可以得到有效的抑制，因此可以獲得高準(zhǔn)直性的電子束，當(dāng)這些電子束在橫向場(chǎng)中的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，電子就會(huì)在管道邊界處產(chǎn)生強(qiáng)伽馬輻射。由于電子的發(fā)散角決定了伽馬輻射的發(fā)散角，因此可以獲得準(zhǔn)直性非常好的γ-ray輻射源。數(shù)值模擬中10PW激光所能獲得的發(fā)散角小于3度，亮度比之前研究報(bào)道結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)的伽馬輻射源。 

本方案可以獲得高出之前2—3量級(jí)的伽馬光源亮度

本工作即基于以上研究成果，將該超高亮度的伽馬射線應(yīng)用于光子對(duì)撞機(jī)。理論計(jì)算結(jié)果表明，該方案可以獲得超高信噪比（>1000:1）,且每一發(fā)正負(fù)電子對(duì)信號(hào)（>1e8）遠(yuǎn)高于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的探測(cè)極限。因此，通過(guò)該方案可以在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證光子互作用過(guò)程中由能量到物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，將提供激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)研究的新途徑，也將極大的促進(jìn)雙光子BW物理的發(fā)展。未來(lái)有望依據(jù)本方案建設(shè)基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應(yīng)用裝置。

北京大學(xué)物理學(xué)院博士后余金清為論文第一作者。顏學(xué)慶教授和盧海洋研究員為通訊作者。論文合作者還包括北京大學(xué)的陳佳洱院士、馬文君研究員，広島大學(xué)的T.Takahashi教授，高能物理所的黃永盛研究員。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、挑戰(zhàn)計(jì)劃和中國(guó)博士后科學(xué)基金的聯(lián)合資助。相關(guān)模擬工作得到北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。

相關(guān)文章鏈接：

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