[논문 리뷰] Letter of Intent for the LUXE Experiment

H. Abramowicz, M. Altarelli외 35명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 02.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 59인용 수 42

한 줄 요약

LUXE 서한은 고에너지 XFEL 전자빔과 강력한 레이저를 충돌시켜 비선형 콤튼 산란, 비선형 브라이트–ウ허(Breit–Wheeler) 쌍 생성, 트라이덴 과정을 탐구하여 비섭동 강장 전자기장 QED를 조사하는 실험을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유럽 XFEL 전자빔과 강력한 레이저를 이용해 강한 전자기장 영역에서 양자 전 electrodynamics를 연구하기 위한 경로를 구상하고 동기를 부여한다.
• 전자–레이저 및 감마 변환 광자–레이저 모드의 실험 구성, 검출기 시스템, 전자, 양전하, 광자를 측정하기 위한 진단을 설명한다.
• SFQED 측정의 가능성과 정밀도를 확립하기 위한 민감도 예측 및 예상 결과의 시뮬레이션을 제공한다.

제안 방법

• 고에너지 XFEL 전자빔(최대 17.5 GeV)과 고전력 레이저(30–300 TW)를 충돌시켜 xi ~ 0.5–16 및 chi_e ~3까지 도달한다.
• 옵션 1: 직접 e–레이저 충돌로 비선형 콤튼 산란과 모든 차수가 기여할 수 있는 영역에서의 두 단계 트라이덴 과정을 연구한다.
• 옵션 2: gamma_B–레이저 모드에서 전자들이 텅스턴 변환기를 타격해 브레이스 트론 포논을 생성하고 이를 레이저와 충돌시켜 비선형 브라이트–웨일러 쌍 생성에 초점을 맞춘다.
• 높은 입자 추적도, 칼로리미터, 체적 크기의 충실한 선형 응답을 갖춘 실험 검출기 배열과 빔 진단, DAQ 시스템을 제공한다.
• 연간 정지 기간 동안 전자–레이저 모드와 gamma_B–레이저 모드 간 전환의 단계적 계획을 제시하며, 구성당 약 1개월의 운전을 통해 유사한 체계적 불확실성으로 5% 미만의 통계적 정밀도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 xi가 달라질 때 비선형 콤튼 산란 스펙트럼이 유효한 전자 질량 이동 및 가장자리 구조를 드러낼 수 있는가?
• RQ2 저 xi에서 비선형 브라이트–웨일러 쌍 생성율이 섭동론 xi^2n 스케일링을 따르고 xi와 chi_e가 증가하여 비섭동 거동으로 발산하는가?
• RQ3 전자–레이저 및 gamma_B–레이저 충돌 모드에서 모든 차수의 비섭동 SFQED 효과의 증거가 있는가?
• RQ4 측정된 단면과 스펙트럼에서 섭동적과 비섭동적 영역 사이의 전이점은 어디인가?
• RQ5 고강도 영역에서 단일 단계와 두 단계 트라이덴 과정이 비율과 운동학적으로 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 전자–레이저 모드에서 xi를 약 16까지, chi_e를 약 3까지 도달해 섭동적 한계를 넘어 SFQED를 탐구할 가능성을 제시한다.
• 고통계량 및 제어된 시스템 오차로 비선형 콤튼 산란과 비선형 브라이트–웨일러 과정의 관찰을 기대한다.
• 두 가지 운용 모드(e–레이저와 gamma_B–레이저)가 광범위한 SFQED 풍경에 대해 보완적 접근을 제공하고 이론적 예측의 교차 확인을 가능하게 한다.
• 섭동적에서 비섭동적 영역으로의 전이와 비섭동 QED 영역에서의 지수적 스케일링 거동을 실험적으로 테스트할 것으로 예상된다.
• 검출기 개념은 고해상도 추적 및 칼로리미트리로 입자를 계수하고 광범위 다이나믹 레인지에서 스펙트럼을 결정한다.