[論文レビュー] Laser polarization of positron beam

А. П. Потылицын|ArXiv.org|Mar 19, 2002

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、強い右回り偏光レーザー場内における非極性の超相対論的陽電子の複数回コンプトン逆散乱を用いて、偏光した陽電子ビームを生成する新規手法を提案する。この過程ではスピンに依存する散乱率が生じ、理想条件下では最大で縦方向偏光度 $\xi_{z_{\text{max}}} = \frac{5}{8} = 0.625$ を達成可能であり、共振レーザー増幅を用いたストレージリング応用の可能性について分析している。

ABSTRACT

For a number of physical studies which are planned to be made with the next generation colliders, it is necessary to use polarized beams of both electrons and positrons. The problem of producing and acceleration of polarized electrons may be considered to be solved, but the existing approaches to create polarized positron beams do not ensure the parameters required. This work proposes a new approach to produce polarized positron beams, which is based on the process of multiple Compton backscattering of unpolarized ultrarelativistic positrons in the field of intense circularly polarized laser wave.

研究の動機と目的

• 次世代衝突型加速器に必要な高偏光度陽電子ビームを効率的に生成する方法の不足を解決する。
• 必要なビームパラメータを満たさない既存の陽電子偏光技術の限界を克服する。
• 強い右回り偏光レーザー場内における複数回コンプトン逆散乱に基づく新しいメカニズムを提案し、陽電子スピンのネット偏光を誘導する。
• 光学共鳴器を用いてレーザー強度を増幅することで、ストレージリング内での顕著な偏光度を達成する可能性を分析する。
• 光子交換なしに生じるレーザー場の影響によるスピン依存の偏光シフトといった非摂動的効果を考慮する。

提案手法

• 陽電子の静止系においてコンプトン逆散乱過程をモデル化し、右回り偏光レーザー光子を用いた相対論的量子電磁力学を適用する。
• 右回り偏光度 $P_c$ および初期・最終状態の陽電子スピン成分 $\xi_{0z}, \xi_z$ を含むスピンに依存する微分断面積を導出する。
• 断面積の式を用いてスピン反転（$w_{\uparrow\downarrow}$）および非反転（$w_{\downarrow\uparrow}$）遷移確率を計算する。
• 最大偏光度を $\xi_{z_{\text{max}}} = \frac{w_{\uparrow\downarrow} - w_{\downarrow\uparrow}}{w_{\uparrow\downarrow} + w_{\downarrow\uparrow}}$ で計算し、線形領域では $\xi_{z_{\text{max}}} = \frac{5}{8}$ を得る。
• ビームのレーザーパルス内での時間発展をレート方程式でモデル化：$\xi_z = \xi_{z_{\text{max}}}[1 - \exp(-N/N_{\text{pol}})]$、ここで $N_{\text{pol}}$ は偏光緩和長である。
• 光学共鳴器を用いてレーザービームを高Qファイバーに結合することでストレージリング内での実現可能性を評価し、必要なレーザー出力を低減し、繰り返し通過を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い右回り偏光レーザー場内における複数回コンプトン逆散乱は、初期に非偏光の陽電子ビームにネット偏光を誘導できるか？
• RQ2 このメカニズム下で達成可能な最大の縦方向偏光度は何か？また、その物理的パラメータは何か？
• RQ3 非摂動的レーザー場効果（光子交換なしの場によるスピンシフト）は、達成可能な偏光度にどのように影響するか？
• RQ4 光学共鳴器によるレーザー強度増幅を用いることで、ストレージリング内で顕著な偏光度を達成するのは可能か？
• RQ5 レーザー場内での非線形的多次元光子吸収過程は、線形領域の予測を超えてより高い偏光度をもたらす可能性があるか？

主な発見

• 線形領域における複数回コンプトン逆散乱による陽電子ビームの最大理論的偏光度は $\xi_{z_{\text{max}}} = \frac{5}{8} = 0.625$ であり、スピン反転と非反転遷移確率の不均衡から導出される。
• 偏光度は衝突回数に従って指数関数的に増加し、$\xi_z = \xi_{z_{\text{max}}}[1 - \exp(-N/N_{\text{pol}})]$ に従う。1.98 GeVの陽電子ビームでは $N_{\text{pol}} = 6.1 \times 10^5$ である。
• 1 Jのレーザーパルス（$z_R = 1$ mm）では、1回の通過あたり平均で $N = 0.82$ 回の衝突が起こり、完全偏光に到達するには $n \approx 7.4 \times 10^5$ 回の通過が必要となる。
• 297 mのストレージリングでは偏光に要する時間は $\tau_{\text{pol}} \approx 15.5$ ms であり、Qファクターが $10^3$ の場合、約 $10^3$ パルスにわたる安定なレーザー注入が必要となる。
• 非線形過程（多次元光子吸収）は $N_{\text{pol}}$ を低下させ、偏光効率を低下させるが、適切に制御すれば線形限界を超える高い偏光度を達成可能である。
• ヘリカルウインドウラと類似する点から、非線形的多次元コンプトン散乱は原理的には最大92％の偏光度を達成可能であり、シンクロtron放射に基づく自己偏光機構と同等の性能を示す可能性がある。