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亚博APp买球首选_高能量密度正电子源与激光对撞机新方案

发布时间:2021-10-01  作者: 官网

本文摘要:国防科技大学朱兴龙、余同普、银燕与上海交通大学盛政明等人明确提出基于极强激光与近临界密度等离子体相互作用的激光对撞机新的方案,将产生低能量密度正负电子对的激光阈值顺利减少到1022Wcm-2量级,理论预测了能量低约几个GeV的密集(4×1022cm-3)正电子产生。

国防科技大学朱兴龙、余同普、银燕与上海交通大学盛政明等人明确提出基于极强激光与近临界密度等离子体相互作用的激光对撞机新的方案,将产生低能量密度正负电子对的激光阈值顺利减少到1022Wcm-2量级,理论预测了能量低约几个GeV的密集(4×1022cm-3)正电子产生。每种基本粒子都有一个与之对应的反粒子,美国科学家卡尔·安德森于1932年利用云室观测到一种除电荷忽略外其他性质与电子完全相同的粒子,这是人类首次实验观测到反粒子——正电子。

由于低能量密度正电子研究在军事、材料、能源等科学领域具备最重要战略意义和应用于前景,该领域已沦为国际高能物理研究中的热点和难题。爱因斯坦质能方程告诉他我们,物质和能量可以互相转化成。根据量子电动力学我们未知利用极强激光可以断裂真空产生正负电子对,但所必须的激光强度比当前实验室可取得的激光强度低最少7个数量级。

这很大地制约了人工产生低能量密度正电子的希望。最近,国防科技大学朱兴龙、余同普、银燕与上海交通大学盛政明等人明确提出了基于极强激光与近临界密度等离子体相互作用的激光对撞机新的方案,将产生低能量密度正负电子对的激光阈值顺利减少到1022Wcm-2量级,理论预测了能量低约几个GeV的密集(4×1022cm-3)正电子产生。图1激光驱动高能密集正电子产生原理图该研究方案包括两个关键步骤,如图1右图:首先利用双束极强激光电离辐射由近临界密度等离子体填满的双锥靶,通过锥形内相对论捕捉电子唤起高能伽马光子电磁辐射;然后这些高能伽马光子与对向传播的激光场相互作用,通过多光子反物质(即Breit-Wheeler过程)产生低能量密度正负电子对,从而有效地提升了激光能量转化成为伽马光子和正电子的效率。

图2在36T0时刻(a)激光场、(b)伽马光子密度及(c)正电子密度空间分布图图2得出的是在36T0(T0为激光周期,大约3.3fs)时激光电场、伽马光子数密度及正电子数密度的空间分布图。当强度为5×1022Wcm-2的非同极强激光与邻接界密度等离子体相互作用后,电子瞬间取得明显加快并向外电磁辐射极强电磁辐射,这些电磁辐射光子不会对电子本身产生反作用即电磁辐射阻尼力。当电磁辐射阻尼力比激光的纵向有质动力大很多时,电子不会被激光场必要捕捉,构成一个低能量密度的电子束团,其密度高达40倍的临界密度。这些电子一旁向激光传播的方向加快,一旁在激光纵向电场起到下波动,向外电磁辐射高能光子。

三维数值仿真结果表明,其光子数密度最低约850倍的临界密度,总光子数约1015量级。由于该方案的对称性,两边构成的高能光子不会和对向传播的激光光子必要起到产生大量高能正负电子对。该研究方案具备低成本、小型化的优点,在几个厘米的尺度内才可构建高能正负电子的必要撞击,其峰值亮度高约1033cm-2s-1,与当前世界主流正负电子对撞机的最低亮度非常。

如果该方案的实验取得突破,将不会明显增大加速器的耗资和规模,在当前实验室才可产生低能量密度正负电子对并构建对撞,为高能物理和实验室天体物理乃至未来反物质武器研究修筑一条崭新途径。正如NatureCommunications三位审稿人所说:“该研究工作科学意义根本性,一旦顺利,将不会对等离子体物理和高能物理研究领域产生深远影响”。目前,该研究团队正在和英国卢瑟福实验室、中国工程物理研究院、上海交通大学及上海光机所探究积极开展牵头实验的可行性。


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