近日，中國人民大學(xué)物理系王偉民教授和中科院物理所李玉同教授研究團(tuán)隊，利用自主開發(fā)的極化QED-PIC程序（PIC：particle-in-cell，粒子模擬）對未來的百拍瓦激光與固體相互作用中產(chǎn)生的大電量、高密度正負(fù)電子束的自旋極化進(jìn)行了探索研究。發(fā)現(xiàn)采用激光固體靶實驗上常用構(gòu)型（即線偏振激光與具有預(yù)等離子體的固體靶相互作用）就可在百拍瓦激光裝置上產(chǎn)生極化率30%、電量30納庫的正電子束，其角通量可達(dá)到10¹²sr^-1，在特定能量段上收集的正電子極化率可達(dá)到60%。

該工作也表明在未來百拍瓦激光裝置上的一般的激光固體靶實驗中，將不可避免地產(chǎn)生大量的極化正電子和電子，因此電子/正電子的自旋和光子偏振效應(yīng)的對激光等離子體相互作用的影響需要認(rèn)真考慮。該研究成果以“Dense Polarized Positrons from Laser-Irradiated Foil Targets in the QED Regime”為題于2022年7月11日發(fā)表在Physical Review Letters上。

圖1. (a)激光固體靶相互作用產(chǎn)生極化正電子的方案：一束線偏振激光入射到一個在靶前具有微米密度標(biāo)長的固體靶上。激光作用結(jié)束后，(b) 正電子數(shù)密度和 (c) 極化率關(guān)于橫向偏轉(zhuǎn)角和正電子能量的二維分布，以及關(guān)于橫向偏轉(zhuǎn)角的一維分布。

自旋極化的正電子在高能物理，材料物理和實驗室天體物理等領(lǐng)域具有廣泛的用途。目前，傳統(tǒng)極化正電子源是基于Bethe-Heitler機制通過圓偏振伽馬光或縱向極化電子轟擊高Z固體靶實現(xiàn)的，但是單發(fā)的正電子產(chǎn)額只有飛庫量級（10^-15庫侖），難以滿足未來正負(fù)電子對撞機所需的納庫（10^-9庫侖）以及極化正負(fù)電子等離子體物理研究中的要求。如何獲得大電量和高密度的極化正電子仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

利用極端強激光激發(fā)的強場量子電動力學(xué)（QED）效應(yīng)也能產(chǎn)生極化的正電子束。近期國內(nèi)外強激光研究機構(gòu)成功建造了數(shù)拍瓦超強激光裝置，并正在建造更強的百拍瓦量級激光裝置，譬如上海光機所建造的SULF、SEL裝置，中物院八所建造的數(shù)拍瓦、百拍瓦激光裝置，美國upgraded OMEGA EP裝置，歐洲的ELI裝置等。這些裝置輸出的激光脈沖的聚焦強度能夠達(dá)到10²³-10²⁵W/cm²，激光場強度可達(dá)10¹⁵-10¹⁶V/m，由這樣的極端強激光與物質(zhì)相互作用從目前的經(jīng)典、相對論領(lǐng)域進(jìn)入到強場量子電動力學(xué)（QED）主導(dǎo)的領(lǐng)域。在強場QED領(lǐng)域內(nèi)，受外場偏轉(zhuǎn)的高能電子會通過非線性Compton散射輻射高能伽馬光子，而伽馬光子又可以通過非線性Breit-Wheeler過程高效地湮滅為正負(fù)電子對。之前的研究表明，如果采用非對稱強激光（橢圓偏振激光或雙色線偏振激光）和高能電子束對撞，產(chǎn)生的正電子將是自旋極化的。但是，受限于光學(xué)器件較低的損傷閾值，構(gòu)造超強的非對稱激光場是十分困難的；并且已有的激光尾場加速獲得的GeV電子束的電量一般為數(shù)十皮庫（10^-12庫侖），這導(dǎo)致產(chǎn)生的正電子數(shù)目低于皮庫量級。

國內(nèi)外多項研究表明利用十拍瓦、百拍瓦激光與等離子體相互作用可以產(chǎn)生高密度的正電子，然而這些正電子極化性質(zhì)仍然不清楚，這是因為目前廣泛使用、對以上問題進(jìn)行研究的QED-PIC程序忽略了自旋極化效應(yīng)。該團(tuán)隊繼2016年開發(fā)了國內(nèi)首個QED-PIC程序（arXiv:1608.06356）之后，在2021年開發(fā)了國際上首個包含電子/正電子自旋極化和光子偏振效應(yīng)的QED-PIC程序（New Journal of Physics 23, 075005 (2021)），從而具備了研究以上問題的能力。

最近，該團(tuán)隊利用開發(fā)的程序?qū)Π倥耐吡考壍募す夂凸腆w靶作用進(jìn)行了研究，其中采用了常規(guī)的線偏振激光脈沖（激光場初始對稱）以及靶的前表面有激光預(yù)脈沖產(chǎn)生的微米標(biāo)長的預(yù)等離子體。模擬結(jié)果表明，一旦激光強度超過10²⁴W/cm²時，正電子就會出現(xiàn)明顯的極化，并且此極化依賴于偏轉(zhuǎn)角度。對于偏轉(zhuǎn)角大于20度的正電子，其極化率可以達(dá)到30%。正電子和電子的極化可歸結(jié)為它們產(chǎn)生和脫離激光作用區(qū)域時感受到了非對稱的激光場。雖然激光場在入射時是對稱的，但是由于激光場在高密度靶前表面的等離子體趨膚層附近被強烈地吸收和反射，同時正電子和電子可以自由地通過此趨膚層。因而，正電子和電子只經(jīng)歷了部分的激光場就進(jìn)入到高密等離子體內(nèi)，這導(dǎo)致了它們在趨膚層附近經(jīng)歷了高度不對稱的亞周期激光場，從而獲得了具有角度依賴的自旋極化。

在真實實驗中，由于激光預(yù)脈沖是無法避免的，該工作的模擬結(jié)果表明它在靶前產(chǎn)生的預(yù)等離子體會對正電子的極化和產(chǎn)額都具有重要的作用（如圖2所示）。因此，對于未來的百拍瓦激光與固體靶相互作用，極化正電子將普遍存在。這些極化的高密度正電子束可以用于研究極化正負(fù)等離子體物理，也可以經(jīng)過后續(xù)加速后應(yīng)用于未來正負(fù)電子對撞機中。

圖2.正電子產(chǎn)額和極化率隨(a)預(yù)等離子體密度標(biāo)長和(b)激光場強的變化。

論文第一作者為博士生宋懷航，共同通訊作者為王偉民教授和李玉同教授。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0404801），國家自然科學(xué)基金委項目（11775302，11827807），中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA25050300，XDA25010300），中國人民大學(xué)教授啟動基金(20XNLG01)的支持。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.093902