正電子是電子的反物質,它們有相同的質量,但卻有相反的電荷。當正電子和電子相遇時,它們會相互湮滅,釋放出高能的光子,這個過程叫做正負電子對湮滅。但是,這個過程也可以反過來進行。如果兩個高能的光子相撞,它們也可以產生一對正負電子。這個過程叫做線性布賴特-惠勒過程,它是光子和光子之間最基本的相互作用之一。
你可能會問,為什么我們要關心這個過程呢?有兩個主要的原因。第一個原因是,這個過程是量子電動力學中最簡單的過程之一,它可以檢驗我們對量子場論的理解。第二個原因是,這個過程可以提供一種新的方法來產生和加速正電子束。正電子在自然界很少存在,但在科學和工程中有很多應用,比如正電子發射斷層掃描或者正負電子對撞機。
那么,我們怎么實現這個過程呢?我們需要兩個條件:第一個條件是,我們需要有足夠高能的光子。第二個條件是,我們需要有足夠密集的光子。換句話說,我們需要一個光子對撞機。但是,要建造一個光子對撞機并不容易。傳統的方法是利用高能電子束和強磁場來產生高能光子,并讓它們在一個小空間內相遇。但是,這種方法需要非常大型和昂貴的設備,并且效率很低。
那么,有沒有更好的方法呢?最近一篇發表在《物理評論快報》的論文介紹了一種簡單而有效的方案,即利用超強激光脈沖與接近臨界密度等離子體相互作用,在其中形成一個自組織的光子對撞機,從而產生和加速正電子。
等離子體是由帶電粒子(如電子、離子、原子核等)組成的第四態物質。等離子體中存在著復雜而豐富的集體行為和波動現象。當激光脈沖與等離子體相互作用時,會產生各種各樣的非線性效應和粒子加速機制。等離子體有一個重要的參數叫做臨界密度,是指當激光入射到等離子體時,激光無法穿透等離子體的密度。臨界密度的數值取決于激光脈沖的波長,一般來說,波長越短,臨界密度越高。
當激光入射到近臨界等離子體時,激光會在等離子體表面形成一個強烈的電場,將電子推向激光前沿。這樣就形成了一個高能的同步輻射源,可以發射出高能的光子。這些高能的光子可以在激光前沿相互碰撞,產生正負電子對。同時,由于等離子體表面的電場,這些正電子會被加速到超相對論能量。這樣就實現了用超強激光脈沖產生和加速正電子的目標。接下來,研究人員打算用數值模擬驗證該機制。
不過,這個過程雖然非常簡單,但是卻很難用數值模擬來驗證。因為要模擬線性布賴特-惠勒過程,你需要同時考慮光子和粒子之間的相互作用,這需要很大的計算資源和時間。不過,他們用一種新穎的方法來模擬這個過程,并且得到了一些有趣的結果。
他們發現,在實驗可達到的激光強度下(10^22 W/cm^2),用近臨界等離子體作為靶標可以產生一個具有幾十GeV能量、0.1 pC總電荷、10°發散角的正電子束。這個正電子束主要來自于線性布賴特-惠勒過程,而不是其他可能的過程,比如貝特-海特勒過程,即高能光子與原子核碰撞產生正負電子對的過程。
這個模擬結果為將來實驗觀察線性布賴特-惠勒過程和應用正電子束提供了一種可行的途徑。
審核編輯:劉清
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原文標題:光子對撞機:線性布賴特-惠勒過程的新實現方案
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