江苏激光联盟导读：

在太空深处，存在着极端条件盛行的天体：快速旋转的中子星产生超强磁场。黑洞凭借其巨大的引力，可以导致巨大的、充满活力的物质喷流射入太空。一个由亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 参与的国际物理团队现在提出了一个新概念，可以让未来在实验室中研究这些极端过程中的一些：两个高强度的特殊设置 激光束可以创造类似于中子星附近发现的条件。在发现的过程中，反物质射流产生并非常有效地加速。他们的研究成果展示在Communications Physics 上。

聚焦接近衍射极限的高功率激光器产生超强电磁场，可用于驱动高能粒子的高通量并研究基本物理现象。在强度超过 10²³ W cm-² 时，这些高能粒子可以驱动非线性量子电动力学 (quantum-electrodynamical,QED) 过程，否则只能在极端天体物理环境中发现。一个这样的过程是仅从光中产生正负电子对。虽然多光子（非线性）对的产生已经使用强激光测量过一次，但双光子过程（γγ → e+e−，这里称为线性 Breit-Wheeler 过程）尚未在实验室中观察到真正的光子。随着磁场强度的增加，非线性过程的概率非扰动地增长，预计它将对高场环境中的对级联做出主要贡献，包括超出当前强度边界的激光-物质相互作用和脉冲星磁层。

线性 Breit-Wheeler 横截面的小尺寸意味着对其观察需要高光子通量。实现必要的通量需要专门的实验配置，因此它对原位电子 - 正电子对产生的可能贡献迄今为止在高强度激光 - 物质相互作用的研究中被忽视。

最近建设了多光束高强度激光设施，如极光基础设施光束线、极光基础设施核物理(Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics, ELI-NP)和 Apollon，以及微米级结构化目标制造方面的重大进展。为探索开辟了质量上新颖的配对生产制度。具体来说，研究人员展示了由两束激光束照射的结构化等离子体目标创造了一个环境，其中线性过程优于非线性过程和 Bethe-Heitler 过程。值得注意的是，该机制不需要超过目前可用的激光强度。在 I0 < 5 × 10²² W cm-² 时，线性过程的正电子产率为 ~109。这些正电子是在两个高能电子束被沿着等离子体通道引导的激光脉冲加速并与之共同传播，正面碰撞，发射同步加速器光子，这些光子相互碰撞，并与相应的迎面而来的激光发生碰撞。这不仅提供了研究线性 Breit-Wheeler 过程本身的机会，由于其在天体物理学中的作用而令人感兴趣，而且还提供了线性和非线性主导对级联之间的过渡。在天体物理学中，这两者之间的平衡决定了脉冲星磁层如何充满等离子体；在激光等离子体场景中，控制因素是场强和光子通量。研究人员还表明，在等离子体通道内与激光脉冲共同产生的正电子可能会被限制并加速到数百 MeV 的能量，这增加了产生正电子射流的可能性。加速正电子所需的横向限制是由缓慢演化的等离子体磁场提供的。至关重要的是，在两个激光脉冲碰撞之前，是同一个场使超相对论电子能够加速。

新概念的基础是一小块塑料，由微米级细通道纵横交错。它充当两个激光器的目标。它们同时向方块发射超强脉冲，一个来自右侧，另一个来自左侧——方块实际上是由激光钳捕获的。当激光脉冲穿透样品时，每个脉冲都会加速一团极快的电子。然后，这两个电子云以全力冲向彼此，与沿相反方向传播的激光相互作用。接下来的碰撞是如此剧烈，以至于它产生了极其大量的伽马量子——能量甚至高于X射线的光粒子。

伽马量子群如此密集，以至于光粒子不可避免地相互碰撞。然后疯狂的事情发生了：根据爱因斯坦著名的公式 E=mc²，光能可以转化为物质。在这种情况下，应主要创建正负电子对。正电子是电子的反粒子。该项目负责人、加州大学圣地亚哥分校的物理学家阿列克谢·阿雷菲耶夫 (Alexey Arefiev) 描述说，这个过程的特殊之处在于“伴随着它的非常强的磁场。这些磁场可以将正电子聚焦成一束并强烈加速它们。数量上：在仅 50 微米的距离内，粒子应该达到 1 千兆电子伏 (GeV) 的能量——通常需要一个成熟的粒子加速器才能达到这个大小。

成功的计算机模拟

为了了解这个不寻常的想法是否可行，该团队在精心设计的计算机模拟中对其进行了测试。结果令人鼓舞；原则上，这个概念应该是可行的。研究人员很惊讶最终产生的正电子在模拟中形成了高能束束。更重要的是，新方法应该比以前的想法更有效，其中只向单个目标发射单个激光脉冲：根据模拟，“激光双击”应该能够产生高达 100,000 倍的能量 正电子比单一处理概念。

在汉堡的首次测试

然而，必要的初步测试可以事先在汉堡进行：欧洲 XFEL，世界上最强大的 X 射线激光器，就在那里。HZDR 在这个大型设施中发挥着重要作用：它领导着一个名为 HIBEF 的用户联盟，该联盟一段时间以来一直针对极端状态的物质。在 HIBEF，来自 HZDR 的同事与耶拿的亥姆霍兹研究所一起，正在开发一个平台，可用于通过实验测试磁场是否真的像我们的模拟预测的那样形成，这应该很容易通过欧洲 XFEL 的强大 X 射线闪光进行分析。

对于天体物理学和核物理学，这项新技术可能非常有用。毕竟，太空中的一些极端过程也可能会产生大量伽马量子，然后迅速再次变为高能对。这种过程很可能发生在脉冲星的磁层中，即快速旋转的中子星的磁层中。有了这个的新概念，这种现象可以在实验室中模拟，至少在某种程度上，这将使我们能够更好地理解它们。

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本文来源：utong He et al, Dominance of γ-γ electron-positron pair creation in a plasma driven by high-intensity lasers, Communications Physics (2021). DOI: 10.1038/s42005-021-00636-x