盛政明教授团队利用QED效应高效产生GeV伽马射线新途径

近年来，世界各地正在大力建设和发展10拍瓦级（1拍瓦=10¹⁵瓦）的高功率超短超强激光装置，例如上海超短超强激光装置（SULF）、欧盟的极端光学基础设施（ELI）等。这类激光装置的一个重要应用是探索极端强场引起的非线性QED效应及其应用，包括强辐射阻尼效应、正负电子对产生、光子-光子散射、真空极化、高亮度伽马辐射等。强场QED实验研究最早可追溯到20多年前，即在美国SLAC国家实验室中利用加速器产生的46.6GeV电子束与太瓦级激光脉冲对撞，首次观测到非弹性光子-光子散射和正负电子对产生信号。随后，直到2018年，英国两个研究组利用激光尾波场加速的高能电子束与强激光散射作用，在实验上率先开启了一种全光学的强辐射阻尼效应研究，得到了极大关注。理论研究表明，为了进一步增强QED效应，则需要更强的激光场以及更高的电子束密度和能量。

图1：(a)高能电子束驱动固体靶高效产生准直的GeV伽马射线源的原理图；(b)电子束能量转化为伽马射线辐射的能量转化率随作用距离的变化，其中内插图给出了伽马射线束的角分布图；(c)伽马射线能谱分布图，其中内插图给出了驱动电子束的初始和最终能谱分布图。

近日，上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所盛政明教授团队提出了一种全新的方案来研究强场QED效应，并据此高效率产生极高亮度的GeV伽马射线。该方案的独特之处是不再使用激光脉冲驱动，而是利用相对论电子束与固体靶的直接相互作用。通过将一束电量在纳库级的GeV电子束以小角度斜入射到固体平板靶上，由此激发靶电子回流产生超强自生磁场，其反过来又会对电子束进行横向压缩和聚焦。当经过约百微米的作用距离后，电子束可聚焦到初始半径的十分之一以内，即对应的束密度增加2个数量级以上。如此高密度电子束可以驱动固体靶产生强度高达10¹⁴ V/m以上的超强表面静态场，进而触发QED效应并产生大量准直的伽马光子，其转化效率高达60%和光子能量高达GeV（最大可接近初始电子能量）。由于产生的伽马光束具有亚微米级束斑、毫弧度级发散角、飞秒级脉宽和10¹²量级高光子产额，使其峰值亮度可以达到10²⁸ photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW，比其他方案高了几个数量级。这种前所未有的极高亮度GeV伽马射线源，有望为强场QED物理、核物理、高能物理和实验室天体物理等领域研究提供独特手段。

从理论和数值模拟结果来看，上述方案所采用的电子束参数是可以通过数拍瓦级强激光驱动等离子体加速器来获得的。目前上海交通大学在建的李政道研究所实验室天体物理平台正在建造这种强激光装置。基于理论与模拟研究，之前该研究团队还曾提出一种两级激光等离子体加速器方案，即利用一束拍瓦级强激光驱动两级不同密度分布的等离子体靶激发强场QED效应和产生高亮度伽马射线源 [Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]。研究团队将在新建设的强激光装置平台上开展上述相关研究。

相关研究成果以Efficient generation of collimated multi-GeV gamma-rays along solid surfaces为题发表在美国光学学会顶级期刊 [Optica 10, 118 (2023)]。该论文第一作者是上海交通大学李政道研究所朱兴龙博士后，通讯作者为盛政明教授和朱兴龙博士。该工作得到了国家自然科学基金委、中科院先导专项、博士后创新人才计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.479951