正电子是电子的反物质,它们有相同的质量,但却有相反的电荷。当正电子和电子相遇时,它们会相互湮灭,释放出高能的光子,这个过程叫做正负电子对湮灭。但是,这个过程也可以反过来进行。如果两个高能的光子相撞,它们也可以产生一对正负电子。这个过程叫做线性布赖特-惠勒过程,它是光子和光子之间最基本的相互作用之一。
你可能会问,为什么我们要关心这个过程呢?有两个主要的原因。第一个原因是,这个过程是量子电动力学中最简单的过程之一,它可以检验我们对量子场论的理解。第二个原因是,这个过程可以提供一种新的方法来产生和加速正电子束。正电子在自然界很少存在,但在科学和工程中有很多应用,比如正电子发射断层扫描或者正负电子对撞机。
那么,我们怎么实现这个过程呢?我们需要两个条件:第一个条件是,我们需要有足够高能的光子。第二个条件是,我们需要有足够密集的光子。换句话说,我们需要一个光子对撞机。但是,要建造一个光子对撞机并不容易。传统的方法是利用高能电子束和强磁场来产生高能光子,并让它们在一个小空间内相遇。但是,这种方法需要非常大型和昂贵的设备,并且效率很低。
那么,有没有更好的方法呢?最近一篇发表在《物理评论快报》的论文介绍了一种简单而有效的方案,即利用超强激光脉冲与接近临界密度等离子体相互作用,在其中形成一个自组织的光子对撞机,从而产生和加速正电子。
等离子体是由带电粒子(如电子、离子、原子核等)组成的第四态物质。等离子体中存在着复杂而丰富的集体行为和波动现象。当激光脉冲与等离子体相互作用时,会产生各种各样的非线性效应和粒子加速机制。等离子体有一个重要的参数叫做临界密度,是指当激光入射到等离子体时,激光无法穿透等离子体的密度。临界密度的数值取决于激光脉冲的波长,一般来说,波长越短,临界密度越高。
当激光入射到近临界等离子体时,激光会在等离子体表面形成一个强烈的电场,将电子推向激光前沿。这样就形成了一个高能的同步辐射源,可以发射出高能的光子。这些高能的光子可以在激光前沿相互碰撞,产生正负电子对。同时,由于等离子体表面的电场,这些正电子会被加速到超相对论能量。这样就实现了用超强激光脉冲产生和加速正电子的目标。接下来,研究人员打算用数值模拟验证该机制。
不过,这个过程虽然非常简单,但是却很难用数值模拟来验证。因为要模拟线性布赖特-惠勒过程,你需要同时考虑光子和粒子之间的相互作用,这需要很大的计算资源和时间。不过,他们用一种新颖的方法来模拟这个过程,并且得到了一些有趣的结果。
他们发现,在实验可达到的激光强度下(10^22 W/cm^2),用近临界等离子体作为靶标可以产生一个具有几十GeV能量、0.1 pC总电荷、10°发散角的正电子束。这个正电子束主要来自于线性布赖特-惠勒过程,而不是其他可能的过程,比如贝特-海特勒过程,即高能光子与原子核碰撞产生正负电子对的过程。
这个模拟结果为将来实验观察线性布赖特-惠勒过程和应用正电子束提供了一种可行的途径。
审核编辑:刘清
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原文标题:光子对撞机:线性布赖特-惠勒过程的新实现方案
文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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