在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)高密度、相對(duì)論性的電子-正電子對(duì)等離子體可以顯著加深對(duì)脈沖星和類(lèi)星體等外來(lái)天體物體的理解，但這極具挑戰(zhàn)性。隨著高強(qiáng)度激光技術(shù)的發(fā)展，幾種產(chǎn)生方法已經(jīng)被證明或被提出，在不同的激光強(qiáng)度范圍內(nèi)，不同的機(jī)理支配著物理學(xué)。例如，Schwinger機(jī)制需要極高的強(qiáng)度，高于約10*29W / cm，才能從真空中自發(fā)形成一對(duì)，而B(niǎo)reit-Wheeler(BW)機(jī)制對(duì)于雪崩型放電則需要約10*24W / cm. 這些強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最先進(jìn)的激光器的能力（高達(dá)10 W / cm）。

另一種方法是將激光產(chǎn)生的高能電子注入到高Z靶材料中，原子核的靜電場(chǎng)參與成對(duì)產(chǎn)生過(guò)程，從而釋放了對(duì)激光電場(chǎng)強(qiáng)度的約束。如果使用厚的轉(zhuǎn)換靶，則正電子主要通過(guò)三步Bethe-Heitler（BH）過(guò)程產(chǎn)生。首先，相對(duì)論電子通過(guò)靶正面的激光等離子體相互作用(laser plasma interaction, LPI)產(chǎn)生。這些電子然后通過(guò)高Z靶材料傳輸并通過(guò)Bre致輻射產(chǎn)生高能光子。然后，高能光子在原子核場(chǎng)中的傳播會(huì)產(chǎn)生電子-正電子對(duì)。關(guān)鍵步驟是將激光能量轉(zhuǎn)換為足夠的高能量電子，為此，僅需要中等強(qiáng)度的激光（10 W / cm）。使用這種類(lèi)型的裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)最多可產(chǎn)生10對(duì)/發(fā)射，這是迄今為止使用激光報(bào)道的最高產(chǎn)量。

研究人員在本文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了使用靶結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生的正電子的產(chǎn)率和能量上都有實(shí)質(zhì)性的提高，這提出了一種改進(jìn)正電子源的有效而廉價(jià)的方法。用代碼Chicago進(jìn)行的單元內(nèi)粒子(Particle-in-cell, PIC)模擬已用于解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并允許直接模擬LPI對(duì)正電子產(chǎn)率的影響。而且，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1(a)所示。用OMEGA EP激光脈沖輻照結(jié)構(gòu)化的靶標(biāo)，該激光脈沖的波長(zhǎng)為1.053μm，能量為500μJ，脈沖長(zhǎng)度約為700 fs。80％的激光能量被封裝在直徑為35μm的焦點(diǎn)中，這是由即時(shí)波前和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量得出的。根據(jù)測(cè)得的注量圖，峰強(qiáng)度估計(jì)為4.5××10 W / cm。在實(shí)驗(yàn)之前，通過(guò)熱電子溫度的PIC模擬對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀（間距和長(zhǎng)度）進(jìn)行了優(yōu)化。這種幾何結(jié)構(gòu)（我們稱(chēng)為結(jié)構(gòu)1）是直徑為3μm，長(zhǎng)度為13μm，中心距為15μm的硅微線陣列。

作為參考，我們還拍攝了平坦的目標(biāo)以及另一種未優(yōu)化的結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)2），該結(jié)構(gòu)在模擬中顯示出對(duì)電子能量的有害影響。結(jié)構(gòu)2的直徑為3μm，長(zhǎng)度為100μm，中心距為7μm。后一個(gè)目標(biāo)中的微絲的長(zhǎng)度比激光的聚焦深度長(zhǎng)得多，并且它們之間的間距比激光焦點(diǎn)的尺寸小得多，因此它們?cè)趥鞑ミ^(guò)程中往往會(huì)破壞激光脈沖，從而導(dǎo)致激光質(zhì)量差臨界密度表面的強(qiáng)度。因此，它們導(dǎo)致了低能電子光譜。

▲圖1. (a) 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。(b) 預(yù)先優(yōu)化的目標(biāo)結(jié)構(gòu)1的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。(c) 未優(yōu)化的結(jié)構(gòu)2的SEM圖像。

圖1(b) 和 (c) 顯示了實(shí)驗(yàn)中使用的兩種靶結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像。首先通過(guò)汽-液-固生長(zhǎng)法在硅111晶圓上生長(zhǎng)高度為100μm的硅微線陣列（結(jié)構(gòu)2），而從硅100晶圓上蝕刻出較短的微線陣列（結(jié)構(gòu)1）然后通過(guò)深度反應(yīng)離子刻蝕將微絲嵌入約30μm厚的聚二甲基硅氧烷層中，并從基材上剝離下來(lái)。然后將此薄的二甲基硅氧烷層膠合到1 amm厚的Au背襯層。在這種情況下，由表面結(jié)構(gòu)生成和引導(dǎo)的高能電子將通過(guò)厚的高Z靶材料（Au）傳輸并誘導(dǎo)成對(duì)產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)中使用的金塊的橫向尺寸也為1 mm。激光以法線入射方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)，微線陣列沿激光方向定向。在先前的工作中已經(jīng)證明了這種配置可以最大程度地增強(qiáng)電子能量。通過(guò)電子/正電子能譜儀沿著激光方向在靶背面測(cè)量了正電子光譜。

在以前的研究中使用微小的金礦樣品制造了約1000億個(gè)反物質(zhì)顆粒。而該實(shí)驗(yàn)將其翻倍了。這些成功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于Livermore正電子項(xiàng)目很重要，該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是制造足夠的電子-正電子反物質(zhì)來(lái)研究伽馬射線爆發(fā)的物理學(xué)。該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Hui Chen表示，“我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)還創(chuàng)建了可以穿透非常密集的物體的高能量（MeV）X射線背光燈，這對(duì)于高能量密度科學(xué)的許多方面都很重要?！?/p>

當(dāng)在高能粒子碰撞期間（例如在高能粒子碰撞期間）將足夠的能量壓縮到一個(gè)很小的空間中時(shí)，會(huì)自動(dòng)生成粒子對(duì)-反粒子對(duì)。當(dāng)能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量時(shí)，物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)生量相等。在這些實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)烈的激光-等離子體相互作用產(chǎn)生了非常高的能量電子，其能量與金靶相互作用時(shí)可以產(chǎn)生電子-正電子對(duì)。

研究人員使用先前的結(jié)果和新的模擬來(lái)設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)或減小這種相互作用，從而導(dǎo)致相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)增強(qiáng)或抑制正電子的產(chǎn)生。該實(shí)驗(yàn)合著者Anthony link表示：“仿真與實(shí)驗(yàn)之間的協(xié)議非常出色，使我們充滿(mǎn)信心，我們正在捕捉最重要的物理機(jī)制?！?/p>

在小型實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生大量正電子的能力為反物質(zhì)研究的新途徑打開(kāi)了大門(mén)，其中包括對(duì)各種天體物理現(xiàn)象（如黑洞和伽馬射線爆發(fā)）以及形成致密電子的途徑的物理基礎(chǔ)的理解正電子等離子體在實(shí)驗(yàn)室中。

總之，該實(shí)驗(yàn)證明前表面靶結(jié)構(gòu)可顯著提高正電子的產(chǎn)量和能量，從而構(gòu)成了一種將激光產(chǎn)生的正電子源用于實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)有效的方法。后續(xù)模擬解釋了由靶結(jié)構(gòu)操縱的激光-等離子體相互作用如何影響正電子的產(chǎn)率和能量的整個(gè)過(guò)程。模擬和實(shí)驗(yàn)光譜之間的一致性表明，使用兩階段PIC模擬可以進(jìn)一步優(yōu)化目標(biāo)。

“在典型的金靶上添加前表面微觀結(jié)構(gòu)，是一種在保持相同激光條件的同時(shí)大幅提高正電子產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)有效的方法。這是朝著將激光產(chǎn)生的正電子源用于各種應(yīng)用的一步?！痹撜撐牡闹饕髡呓?jiǎng)僬f(shuō)。

該實(shí)驗(yàn)由LLNL在美國(guó)能源部的主持下進(jìn)行，由LDRD、美國(guó)能源部科學(xué)辦公室和洛克希德·馬丁公司資助。此外還有加州理工學(xué)院Kavli納米科學(xué)研究所的工作人員在制造方面的技術(shù)支持。

本文來(lái)源：S. Jiang et al. Enhancing positron production using front surface target structures, Applied Physics Letters (2021).