在實驗室中生產(chǎn)高密度、相對論性的電子-正電子對等離子體可以顯著加深對脈沖星和類星體等外來天體物體的理解，但這極具挑戰(zhàn)性。隨著高強度激光技術(shù)的發(fā)展，幾種產(chǎn)生方法已經(jīng)被證明或被提出，在不同的激光強度范圍內(nèi)，不同的機理支配著物理學(xué)。例如，Schwinger機制需要極高的強度，高于約10*29W / cm，才能從真空中自發(fā)形成一對，而Breit-Wheeler(BW)機制對于雪崩型放電則需要約10*24W / cm. 這些強度遠遠超出了最先進的激光器的能力（高達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，原子核的靜電場參與成對產(chǎn)生過程，從而釋放了對激光電場強度的約束。如果使用厚的轉(zhuǎn)換靶，則正電子主要通過三步Bethe-Heitler（BH）過程產(chǎn)生。首先，相對論電子通過靶正面的激光等離子體相互作用(laser plasma interaction, LPI)產(chǎn)生。這些電子然后通過高Z靶材料傳輸并通過Bre致輻射產(chǎn)生高能光子。然后，高能光子在原子核場中的傳播會產(chǎn)生電子-正電子對。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，僅需要中等強度的激光（10 W / cm）。使用這種類型的裝置進行的實驗最多可產(chǎn)生10對/發(fā)射，這是迄今為止使用激光報道的最高產(chǎn)量。

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

實驗裝置的示意圖如圖1(a)所示。用OMEGA EP激光脈沖輻照結(jié)構(gòu)化的靶標，該激光脈沖的波長為1.053μm，能量為500μJ，脈沖長度約為700 fs。80％的激光能量被封裝在直徑為35μm的焦點中，這是由即時波前和遠場測量得出的。根據(jù)測得的注量圖，峰強度估計為4.5××10 W / cm。在實驗之前，通過熱電子溫度的PIC模擬對結(jié)構(gòu)的幾何形狀（間距和長度）進行了優(yōu)化。這種幾何結(jié)構(gòu)（我們稱為結(jié)構(gòu)1）是直徑為3μm，長度為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)在模擬中顯示出對電子能量的有害影響。結(jié)構(gòu)2的直徑為3μm，長度為100μm，中心距為7μm。后一個目標中的微絲的長度比激光的聚焦深度長得多，并且它們之間的間距比激光焦點的尺寸小得多，因此它們在傳播過程中往往會破壞激光脈沖，從而導(dǎo)致激光質(zhì)量差臨界密度表面的強度。因此，它們導(dǎo)致了低能電子光譜。

▲圖1. (a) 實驗裝置的示意圖。(b) 預(yù)先優(yōu)化的目標結(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) 顯示了實驗中使用的兩種靶結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像。首先通過汽-液-固生長法在硅111晶圓上生長高度為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。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)的高能電子將通過厚的高Z靶材料（Au）傳輸并誘導(dǎo)成對產(chǎn)生。實驗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)誓繕?，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電子能量。通過電子/正電子能譜儀沿著激光方向在靶背面測量了正電子光譜。

在以前的研究中使用微小的金礦樣品制造了約1000億個反物質(zhì)顆粒。而該實驗將其翻倍了。這些成功的實驗結(jié)果對于Livermore正電子項目很重要，該項目的主要目標是制造足夠的電子-正電子反物質(zhì)來研究伽馬射線爆發(fā)的物理學(xué)。該項目的負責(zé)人Hui Chen表示，“我們發(fā)現(xiàn)實驗還創(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很小的空間中時，會自動生成粒子對-反粒子對。當(dāng)能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量時，物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)生量相等。在這些實驗中，強烈的激光-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可以產(chǎn)生電子-正電子對。

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

在小型實驗室中產(chǎn)生大量正電子的能力為反物質(zhì)研究的新途徑打開了大門，其中包括對各種天體物理現(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驗室中。

總之，該實驗證明前表面靶結(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驗室天體物理學(xué)應(yīng)用的經(jīng)濟有效的方法。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)率和能量的整個過程。模擬和實驗光譜之間的一致性表明，使用兩階段PIC模擬可以進一步優(yōu)化目標。

“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大幅提高正電子產(chǎn)量的經(jīng)濟有效的方法。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髡呓獎僬f。

該實驗由LLNL在美國能源部的主持下進行，由LDRD、美國能源部科學(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。

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