雙光子相互作用產生正負電子對世界性難題獲進展

　　光子（能量）在特定條件下可以轉化成物質，這對研究物質的起因有重要的意義。相關的理論研究始于上世紀30年代，直到1997年，美國SLAC國家加速器實驗室首次在實驗上觀測到多光子碰撞產生正負電子對的過程。然而，對于兩個高能光子的相互作用產生正負電子對的過程，也就是常說的光子對撞機，受制于已有伽馬射線源的流強和亮度不夠高，迄今為止還未被在實驗中觀測到。

　　近年來，隨著激光技術的發展，特別是10拍瓦（1拍瓦 = 1×1015瓦）激光器的建成，激光光強得到極大地提高，預測可以達到1×1023 W/cm3以上。當如此高強度的激光與物質相互作用時，大部分激光能量將被物質吸收并轉化成伽馬射線，若能同時有效控制伽馬射線的發散角，伽馬射線源將會達到前所未有的流強和亮度。

　　在“大科學裝置前沿研究”重點專項等的支持下，北京大學物理學院顏學慶、盧海洋研究團隊針對實驗上雙光子相互作用產生正負電子對這一世界性科學難題，開展了系統深入的研究。前期工作中，他們研究了如何產生超高亮度伽馬輻射源，提出了10拍瓦量級激光驅動光子對撞機的設計方案，從理論方面深入闡明了微通道結構靶中電子的加速過程由縱向電場主導，電子的橫向加速得到有效抑制，因此利于獲得高準直性的電子束，當這些電子束在橫向電場中的相位發生反轉時，電子就會在管道邊界處產生強的伽馬輻射。電子的發散角決定著伽馬輻射的發散角，數值模擬顯示，10拍瓦激光所獲得的發散角約為3度，具有非常好的準直性，所獲伽馬射線源的亮度比之前研究報道結果高出兩個數量級。基于該超高亮度的伽馬射線源，研究人員將其應用于光子對撞機。理論模擬表明，該方案每一次對撞可以產生3億多個正負電子對，同時背景噪聲得到有效抑制，信噪比高于1000:1，且每一次對撞的正負電子對信號（>1×108）遠高于現有測量技術的探測極限。該設計方案可以在實驗室中驗證光子相互作用過程中能量到物質的轉換過程，為研究激光驅動光子對撞機提供了新途徑，也有望為未來建設基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應用裝置提供依據。