[論文レビュー] A laser–plasma platform for photon–photon physics: the two photon Breit–Wheeler process

B. Kettle, D. Hollatz E. Gerstmayr+36 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、Gemini施設に設置されたレーザー・プラズマプラットフォームを紹介し、そのプラットフォームが、線形Breit-Wheeler過程（γγ → e⁻e⁺）を研究するための実験的・小型化された光子-光子衝突を可能にしている。高エネルギーγ線を生成するためのレーザー・ウェーブフィールド加速器と、keV X線を生成するためのレーザー加熱プラズマを用いることで、衝突する光子ビームを実現した。磁気輸送と単粒子検出器を用いた成功したペア生成検出は、この過程の直接観測に向けた基盤を築いた。

ABSTRACT

We describe a laser-plasma platform for photon-photon collisionexperiments to measure fundamental quantum electrodynamic processes such as thelinear Breit-Wheeler process with real photons. The platform has been developed usingthe Gemini laser facility at the Rutherford Appleton Laboratory. A laser wakefieldaccelerator and a bremsstrahlung convertor are used to generate a collimated beamof photons with energies of hundreds of MeV, that collide with keV x-ray photonsgenerated by a laser heated plasma target. To detect the pairs generated by the photonphoton collisions, a magnetic transport system has been developed which directsthe pairs onto scintillation-based and hybrid silicon pixel single particle detectors. We present commissioning results from an experimental campaign using this laserplasma platform for photon-photon physics, demonstrating successful generation ofboth photon sources, characterisation of the magnetic transport system and calibrationof the single particle detectors, and discuss the feasibility of this platform for theobservation of the Breit-Wheeler process. The design of the platform will also serve asthe basis for the investigation of strong-field quantum electrodynamic processes suchas the nonlinear Breit-Wheeler and the Trident process, or eventually, photon-photonscattering.

研究の動機と目的

• 高 Brilliance のレーザー・プラズマプラットフォームをコンactかつ小型化して、光子-光子衝突における基本的量子電磁力学（QED）過程の検証を可能にする。
• 実際の高エネルギー光子を用いて、線形Breit-Wheeler過程（γγ → e⁻e⁺）の初回の実験的観測を達成する。
• 磁気輸送と単粒子検出器を用いた電子-陽電子ペアの検出可能性を実証する。
• 将来の強場QED過程（非線形Breit-Wheelerおよび光子-光子散乱など）の研究に応用可能なスケーラブルなプラットフォームを構築する。

提案手法

• レーザー・ウェーブフィールド加速（LWFA）により、ブレムストラールングにより発生するGeVエネルギーの電子ビームを生成し、そのビームから集光的で高エネルギーのγ線ビームを発生させる。
• レーザー加熱された固体標的に用いて、広帯域的かつ高強度のkeV X線光子源を生成し、γ線と衝突させる。
• 磁気輸送システムにより、反応点で生成された電子-陽電子ペアを検出器へ誘導し、バックグラウンドを低減するとともに運動量情報の保持を図る。
• シンチレーションベースおよびハイブリッドシリコンピクセルTimepix3検出器を用い、高い空間分解能およびエネルギー分解能で個々の粒子軌跡を特定・再構成する。
• 信号の忠実性を保証し、ペア検出における統計的有意性を達成するために、検出器キャリブレーションおよびバックグラウンド低減技術を適用する。
• 将来的な実験に応じて、X線浴を高強度レーザーパルスに置き換えることのできるように、プラットフォームはスケーラブルかつ柔軟性を備えている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー・プラズマプラットフォームは、高エネルギーγ線とkeV X線を生成・衝突させ、線形Breit-Wheeler過程による電子-陽電子ペア生成を実現できるか？
• RQ2 磁気輸送および単粒子検出器システムの効率性と信号対ノイズ性能は、ペアイベントの同定にどの程度有効か？
• RQ3 実際のショット数を想定した場合、2σの有意性を達成するのに必要なデータ収集量はどの程度か？
• RQ4 検出器面積、バックグラウンド低減、ビーム集光の最適化により、データ収集時間をどの程度短縮できるか？
• RQ5 非線形Breit-Wheelerおよび光子-光子散乱過程の研究に、このプラットフォームをどのように拡張できるか？

主な発見

• 両方の光子源が正常に生成された：ブレムストラールングによる高エネルギーγ線と、レーザー加熱プラズマによるkeV X線が確認され、衝突方式の実現可能性が裏付けられた。
• 磁気輸送システムは特性評価がなされ、生成された電子-陽電子ペアを効果的に検出器へ誘導する能力を示した。
• 単粒子検出器（Timepix3センサを含む）はキャリブレーションが行われ、高精度で個々の粒子軌跡を解像可能であることが確認された。
• 現在の設定では、ペア検出に2σの有意性を達成するには約1000ショットが必要であると想定される（最適性能を仮定）。
• 検出器バックグラウンドを10倍低減できれば、必要なショット数は約500にまで低下する可能性があり、ノイズ低減の重要性が明確になった。
• 将来的なアップグレード（例：5個のTimepix3センサによる検出器面積の拡大、粒子追跡の改善、アクティブビーム集光）により、さらなるデータ収集時間短縮と効率向上が期待できる。