近日，中國(guó)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(duì)，利用自主開(kāi)發(fā)的極化QED-PIC程序（PIC：particle-in-cell，粒子模擬）對(duì)未來(lái)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(shí)驗(yàn)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(kù)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(lái)百拍瓦激光裝置上的一般的激光固體靶實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)在靶前具有微米密度標(biāo)長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(jī)制通過(guò)圓偏振伽馬光或縱向極化電子轟擊高Z固體靶實(shí)現(xiàn)的，但是單發(fā)的正電子產(chǎn)額只有飛庫(kù)量級(jí)（10^-15庫(kù)侖），難以滿足未來(lái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)所需的納庫(kù)（10^-9庫(kù)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

利用極端強(qiáng)激光激發(fā)的強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）效應(yīng)也能產(chǎn)生極化的正電子束。近期國(guó)內(nèi)外強(qiáng)激光研究機(jī)構(gòu)成功建造了數(shù)拍瓦超強(qiáng)激光裝置，并正在建造更強(qiáng)的百拍瓦量級(jí)激光裝置，譬如上海光機(jī)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(guó)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(qiáng)度能夠達(dá)到10²³-10²⁵W/cm²，激光場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)10¹⁵-10¹⁶V/m，由這樣的極端強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用從目前的經(jīng)典、相對(duì)論領(lǐng)域進(jìn)入到強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）主導(dǎo)的領(lǐng)域。在強(qiáng)場(chǎng)QED領(lǐng)域內(nèi)，受外場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的高能電子會(huì)通過(guò)非線性Compton散射輻射高能伽馬光子，而伽馬光子又可以通過(guò)非線性Breit-Wheeler過(guò)程高效地湮滅為正負(fù)電子對(duì)。之前的研究表明，如果采用非對(duì)稱強(qiáng)激光（橢圓偏振激光或雙色線偏振激光）和高能電子束對(duì)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(qiáng)的非對(duì)稱激光場(chǎng)是十分困難的；并且已有的激光尾場(chǎng)加速獲得的GeV電子束的電量一般為數(shù)十皮庫(kù)（10^-12庫(kù)侖），這導(dǎo)致產(chǎn)生的正電子數(shù)目低于皮庫(kù)量級(jí)。

國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)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?yàn)槟壳皬V泛使用、對(duì)以上問(wèn)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(duì)繼2016年開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首個(gè)QED-PIC程序（arXiv:1608.06356）之后，在2021年開(kāi)發(fā)了國(guó)際上首個(gè)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(wèn)題的能力。

最近，該團(tuán)隊(duì)利用開(kāi)發(fā)的程序?qū)Π倥耐吡考?jí)的激光和固體靶作用進(jìn)行了研究，其中采用了常規(guī)的線偏振激光脈沖（激光場(chǎng)初始對(duì)稱）以及靶的前表面有激光預(yù)脈沖產(chǎn)生的微米標(biāo)長(zhǎng)的預(yù)等離子體。模擬結(jié)果表明，一旦激光強(qiáng)度超過(guò)10²⁴W/cm²時(shí)，正電子就會(huì)出現(xiàn)明顯的極化，并且此極化依賴于偏轉(zhuǎn)角度。對(duì)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(shí)感受到了非對(duì)稱的激光場(chǎng)。雖然激光場(chǎng)在入射時(shí)是對(duì)稱的，但是由于激光場(chǎng)在高密度靶前表面的等離子體趨膚層附近被強(qiáng)烈地吸收和反射，同時(shí)正電子和電子可以自由地通過(guò)此趨膚層。因而，正電子和電子只經(jīng)歷了部分的激光場(chǎng)就進(jìn)入到高密等離子體內(nèi)，這導(dǎo)致了它們?cè)谮吥w層附近經(jīng)歷了高度不對(duì)稱的亞周期激光場(chǎng)，從而獲得了具有角度依賴的自旋極化。

在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，由于激光預(yù)脈沖是無(wú)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(huì)對(duì)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(duì)于未來(lái)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(guò)后續(xù)加速后應(yīng)用于未來(lái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)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(zhǎng)和(b)激光場(chǎng)強(qiáng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0404801），國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（11775302，11827807），中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA25050300，XDA25010300），中國(guó)人民大學(xué)教授啟動(dòng)基金(20XNLG01)的支持。

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