[論文レビュー] Letter of Intent for the LUXE Experiment

H. Abramowicz, M. Altarelli+35 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 59被引用数 42

ひとこと要約

要約: 高エネルギーXFEL電子ビームと高強度レーザーの衝突により非摂動的な強場QEDを探索するLUXE実験を提案し、非線形コンプトン散乱、非線形ブリト–ワイラー対生成、トライデント過程を調べる。

ABSTRACT

This Letter of Intent describes LUXE (Laser Und XFEL Experiment), an experiment that aims to use the high-quality and high-energy electron beam of the European XFEL and a powerful laser. The scientific objective of the experiment is to study quantum electrodynamics processes in the regime of strong fields. High-energy electrons, accelerated by the European XFEL linear accelerator, and high-energy photons, produced via Bremsstrahlung of those beam electrons, colliding with a laser beam shall experience an electric field up to three times larger than the Schwinger critical field (the field at which the vacuum itself is expected to become unstable and spark with spontaneous creation of electron-positron pairs) and access a new regime of quantum physics. The processes to be investigated, which include nonlinear Compton scattering and nonlinear Breit-Wheeler pair production, are relevant to a variety of phenomena in Nature, e.g. in the areas of astrophysics and collider physics and complement recent results in atomic physics. The setup requires in particular the extraction of a minute fraction of the electron bunches from the European XFEL accelerator, the installation of a powerful laser with sophisticated diagnostics, and an array of precision detectors optimised to measure electrons, positrons and photons. Physics sensitivity projections based on simulations are also provided.

研究の動機と目的

• 欧州XFELの電子ビームと強力なレーザーを用いて、強い電磁場の領域で量子電磁力学を研究する道筋を動機づけ、 outline する。
• 電子–レーザーおよびガンマ線変換光子–レーザーモードを含む実験設定、検出系、電子・陽電子・光子を測定するための診断法を記述する。
• SFQED測定の実現性と精度を確立するため、感度予測と期待される結果をシミュレーションする。

提案手法

• 高エネルギーXFEL電子ビーム（最大17.5 GeV）を高出力レーザー（30–300 TW）と衝突させ、xi ~ 0.5–16、chi_e up to ~3へ到達する。
• オプション1: 電子–レーザー直接衝突を用い、全次数が寄与する可能性のある領域で非線形コンプトン散乱と2段階トライデント過程を研究。
• オプション2: gamma_B–laserモードでは、電子がタンタル／タングステンコンバーターに当たりブリースマン機構光子を生成し、それらがレーザーと衝突して非線形ブリト–ワイラー対生成を狙う。
• 高粒度かつ線形応答を有する検出器アレイ（シリコントラッカー、カルミトリ、チェレンコフ検出器）とビーム診断およびDAQシステムを提供する。
• 段階的計画を提示: 年間停止期間中に電子–レーザー modeとgamma_B–laser modeを切り替え、各設定で約1か月運用して、系統的誤差が同程度のまま統計的精度をサブ5%レベルで達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 xiが変化する場合、非線形コンプトン散乱スペクトルは有効電子質量シフトやエッジ構造を明らかにできるか。
• RQ2 低xiでの非線形ブリト–ワイラー対生成速度は摂動的なxi^2nスケーリングに従い、より高いxiおよびchi_e~1で非摂動的な挙動へ発散するか。
• RQ3 e–laserおよびgamma_B–laser衝突モードにおいて、全次数の非摂動的SFQED効果の証拠はあるか。
• RQ4 測定される断面積とスペクトルにおける摂動的領域と非摂動的領域の遷移点はどこか。
• RQ5 高強度領域における一段階トライデント過程と二段階トライデント過程の発生頻度と運動量分布の比較はどうなるか。

主な発見

• 電子–レーザーモードでξを約16まで、chi_eを約3まで到達することが見込まれ、摂動論的限界を超えたSFQED探索が可能となる。
• 高統計と制御された系統誤差を伴い、非線形コンプトン散乱と非線形ブリト–ワイラー過程の観測が期待される。
• 2つの運用モード（e–laserとgamma_B–laser）は、広範なSFQEDの風景へ補完的なアクセスと理論予測の検証を提供する。
• 摂動的から非摂動的領域への遷移を測定し、非摂動的QED領域で予測される指数スケーリング動作を検証することを期待する。
• 検出器の概念には高い粒子・スペクトル分解能を有するトラッキングとカルミトリを含み、高ダイナミックレンジで粒子を数えスペクトルを決定する。