強(qiáng)激光高能量密度物理研究獲進(jìn)展 |
圖1. 不同磁場寬度下正負(fù)電子對的產(chǎn)生數(shù)隨時間的變化關(guān)系。其中WB=1.25/c約為電子在磁場中的回旋半徑:磁場寬度小于回旋半徑時,粒子數(shù)持續(xù)產(chǎn)生,系統(tǒng)為超臨界;磁場寬度大于回旋半徑時,系統(tǒng)變?yōu)榇闻R界。
圖2. 根據(jù)總哈密頓量得到的能級分布隨磁場寬度WB變化關(guān)系。寬度小于回旋半徑時,正負(fù)能態(tài)交疊,能夠持續(xù)產(chǎn)生電子對;寬度大于回旋半徑時,正負(fù)能態(tài)分離并出現(xiàn)離散的朗道能級。
量子場論被認(rèn)為是描述最本質(zhì)物理規(guī)律的學(xué)科之一。利用最基本的關(guān)系式狄拉克方程所提出的多種預(yù)測已經(jīng)被證實,并得到具有重大意義的結(jié)果。到目前為止,關(guān)于最具挑戰(zhàn)性且有重大價值的一項預(yù)測的真實性驗證還仍然在探索中:光是否能夠直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì),即強(qiáng)場下真空中是否能夠激發(fā)出正負(fù)粒子對。1951年諾貝爾獎得主Julian Schwinger給出了電子對在均勻穩(wěn)恒電場中產(chǎn)生率的表達(dá)式,這項先驅(qū)性的工作引起了人們對這項對物理基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展和應(yīng)用極富挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)課題的注意,并激發(fā)人們開始投入大量精力來挑戰(zhàn)這個未解的難題。
超快超強(qiáng)激光技術(shù)的快速發(fā)展正在為開展這項研究提供前所未有的實驗條件,使其逐漸成為物理學(xué)的一個新的前沿?zé)狳c(diǎn)。迄今為止,人們在實驗上已經(jīng)得到一些有意義的結(jié)果,重離子對撞實驗以及美國斯坦福線型加速器上進(jìn)行的46.6GeV電子束和強(qiáng)激光碰撞實驗,已經(jīng)證實了正負(fù)電子對的產(chǎn)生。但是到目前為止,由強(qiáng)光場直接引起的真空擊穿和相應(yīng)的正負(fù)電子對產(chǎn)生過程的實驗還未能實現(xiàn),主要原因是目前激光系統(tǒng)的最大強(qiáng)度雖然已經(jīng)高達(dá)2×1022W/cm2,但仍不足以直接“擊穿“真空。為了獲得更高功率的激光系統(tǒng),跨國研究中心也正在建設(shè)中。我們能夠預(yù)期,在不久的將來,激光就可接近甚至達(dá)到“擊穿”真空并自發(fā)產(chǎn)生正負(fù)電子對的強(qiáng)度,在避免其它效應(yīng)的情況下對超臨界場產(chǎn)生正負(fù)粒子對的過程進(jìn)行直接檢驗。如果能夠?qū)崿F(xiàn),將是人類首次證實光可以直接轉(zhuǎn)化成為物質(zhì),即愛因斯坦的能質(zhì)公式E=mc2, 這對于物理學(xué)的發(fā)展和所帶來影響是不可估量的。
對于這一重要問題,理論和數(shù)值方面已經(jīng)得到了非常有意義的結(jié)果,但大部分工作都只考慮了電場而并沒有考慮磁場效應(yīng)。最近,中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)光物理實驗室強(qiáng)激光高能量密度物理組與美國伊利諾斯州立大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)的合作者一起,首次研究了磁場效應(yīng)對局域超臨界電場下正負(fù)電子對產(chǎn)生過程的影響。
通過運(yùn)用基于量子場論的非微擾的精確數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在超臨界的電場中即使考慮強(qiáng)度非常小的磁場,只要其空間寬度足夠?qū)?,仍然可以關(guān)閉正負(fù)電子對產(chǎn)生通道,使系統(tǒng)變?yōu)榇闻R界,并且伴隨產(chǎn)生粒子數(shù)在時間上的震蕩效應(yīng)(見圖1)。一直被公認(rèn)的Schwinger公式和Hund公式都無法對這種效應(yīng)做出描述。通過計算系統(tǒng)總哈密頓量的能量本征值得出,磁場變寬的同時正負(fù)能態(tài)的上下限隨之相互遠(yuǎn)移,當(dāng)磁場寬度達(dá)到粒子在磁場中的回旋半徑的時候系統(tǒng)就變?yōu)榇闻R界(見圖2),并且出現(xiàn)離散的朗道能級引發(fā)粒子數(shù)在時間上的震蕩效應(yīng)。
上述研究結(jié)果發(fā)表在近期的物理評論快報[Phys. Rev. Lett. 109, 253202 (2012)]上。
該工作得到了國家基金委、科技部、中國科學(xué)院和美國國家基金委的資助。(來源:中科院物理研究所)
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