[논문 리뷰] MP3 White Paper 2021 -- Research Opportunities Enabled by Co-locating Multi-Petawatt Lasers with Dense Ultra-Relativistic Electron Beams

Sebastian Meuren, David A. Reis외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 25.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 32인용 수 6

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 SLAC에서 30 GeV, 약 10²¹ cm⁻³의 밀도 높은 초상대론적 전자 빔과 3–10 PW 레이저를 공진기화하여 강한장 양자전자역학(QED)과 집단적 플라즈마 효과가 공존하는 QED 플라즈마 영역의 탐색을 가능하게 한다. 초상대론적 빔의 라우레츠 보정 효과로 인해 레이저 강도가 약 10²⁰ W/cm²로 감소하여, 비례쌍 생성, 집단적 동역학, 그리고 새로운 양자 현상의 관측이 가능해지며, 이는 마그네타르 및 빠른 라디오 폭발과 유사한 영역과 관련이 있다.

ABSTRACT

Novel emergent phenomena are expected to occur under conditions exceeding the QED critical electric field, where the vacuum becomes unstable to electron-positron pair production. The required intensity to reach this regime, $\sim10^{29}\,\mathrm{Wcm^{-2}}$, cannot be achieved even with the most intense lasers now being planned/constructed without a sizeable Lorentz boost provided by interactions with ultrarelativistic particles. Seeded laser-laser collisions may access this strong-field QED regime at laser intensities as low as $\sim10^{24}\,\mathrm{Wcm^{-2}}$. Counterpropagating e-beam--laser interactions exceed the QED critical field at still lower intensities ($\sim10^{20}\,\mathrm{Wcm^{-2}}$ at $\sim10\,\mathrm{GeV}$). Novel emergent phenomena are predicted to occur in the "QED plasma regime", where strong-field quantum and collective plasma effects play off one another. Here the electron beam density becomes a decisive factor. Thus, the challenge is not just to exceed the QED critical field, but to do so with high quality, approaching solid-density electron beams. Even though laser wakefield accelerators (LWFA) represent a very promising research field, conventional accelerators still provide orders of magnitude higher charge densities at energies $\gtrsim10\,\mathrm{GeV}$. Co-location of extremely dense and highly energetic electron beams with a multi-petawatt laser system would therefore enable seminal research opportunities in high-field physics and laboratory astrophysics. This white paper elucidates the potential scientific impact of multi-beam capabilities that combine a multi-PW optical laser, high-energy/density electron beam, and high-intensity x rays and outlines how to achieve such capabilities by co-locating a 3-10 PW laser with a state-of-the-art linear accelerator.

연구 동기 및 목표

• 강한장 QED와 집단적 플라즈마 효과가 공존하는 QED 플라즈마 영역에 실험적 접근를 가능하게 한다.
• 초상대론적 전자 빔의 라우레츠 보정 효과를 활용하여 스위닝어 임계장(~1.3×10¹⁶ V/cm)에 도달하기 위한 극도로 높은 강도 요구 조건을 완화한다.
• 마그네타르 및 빠른 라디오 폭발과 같은 천체물리 현상과 관련된 밀도 높고 상대론적인 양성전자-전자 플라즈마에서의 비례쌍 생성과 집단적 동역학을 연구한다.
• 다수의 PW 레이저, 고밀도 전자 빔, 고강도 X선을 통합한 주요 시설을 구축하여 고에너지밀도 물리학과 향후 콜리더 설계의 발전을 이룬다.
• 강한장 QED 플라즈마에서의 쌍생성-관측 문제를 해결하기 위해 상대론적 보정을 통해 고밀도 빔과 낮은 레이저 강도를 동시에 실현한다.

제안 방법

• SLAC의 FACET-II 시설에서 제공하는 30 GeV, 약 10²¹ cm⁻³ 전자 빔과 함께 3–10 PW 광학 레이저 시스템을 공진기화한다.
• 전자 빔 기준에서의 라우레츠 보정 효과를 활용하여 효과적인 레이저 전기장을 증폭시켜 스위닝어 임계장(~1.3×10¹⁶ V/cm)의 약 10배 수준으로 도달한다.
• 레이저와 전자 빔 간의 반대향 기하구조를 활용하여 필드 증폭을 극대화하고, 레이저 강도를 약 10²⁰ W/cm²로 낮추어도 쌍생성을 유도할 수 있도록 한다.
• 빔 압축 기법을 활용하여 고전하 밀도와 안정성을 확보한 고체 밀도 전자 빔을 구현하여 강력한 레이저와의 지속적 상호작용을 가능하게 한다.
• 고반복 주기의 X선 자유전자 레이저(XFEL)를 통합하여 고밀도 상대론적 양성전자-전자 플라즈마의 실시간 진단을 수행한다.
• 고에너지밀도 물리 실험에서 물질 압축을 위한 광학 레이저와 초고속·고해상도 탐측을 위한 XFEL을 조합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 PW 레이저가 밀도 높고 초상대론적인 전자 빔과 상호작용할 때 QED 플라즈마 영역을 실험적으로 접근할 수 있는가?
• RQ2 강한장 QED 조건 하에서 비례쌍 생성과 집단적 플라즈마 효과의 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ3 라우레츠 보정 프레임은 스위닝어 임계장에 도달하기 위해 필요한 레이저 강도를 어떻게 낮추면서도 충분한 쌍 플라즈마 밀도를 유지하여 집단적 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ4 이 시설은 마그네타르 및 빠른 라디오 폭발의 물리적 메커니즘을 실험적 유사체를 통해 얼마나 깊이 있게 새롭게 이해할 수 있는가?
• RQ5 고광도 전자 빔, 다수의 PW 레이저, XFEL의 통합은 선형 콜리더 설계와 비퍼트루베이티브 QED 연구 분야에서 패러다임 전환을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 30 GeV 전자 빔의 라우레츠 보정 프레임은 효과적인 레이저 전기장을 약 10배 증폭시켜 스위닝어 임계장의 약 10배 수준으로 도달함으로써, 약 10²⁰ W/cm²의 레이저 강도로도 강한장 QED 영역에 접근할 수 있다.
• 밀도 높은 전자 빔(~10²¹ cm⁻³)이 다수의 PW 레이저와 상호작용하면서 QED 플라즈마 영역에 진입하며, 비례쌍의 집단적 재충돌과 같은 집단적 효과가 관측 가능해진다.
• 이 시설은 충분한 밀도로 유지되는 비례쌍 생성을 가능하게 하여 QED 플라즈마에서의 쌍생성-관측 문제를 해결한다.
• 고에너지·고밀도 전자 빔과 다수의 PW 레이저의 조합은 라우레츠 보정으로 인한 감소된 감마 인자 덕분에 상대론적 양성전자-전자 플라즈마의 집단적 현상을 더 잘 관측할 수 있도록 한다.
• 제안된 설정은 마그네타르 및 뉴트론별 융합과 같은 천체 환경에서의 기본 QED 과정과 그 역할을 탐구할 수 있는 고유한 플랫폼을 제공한다.
• 레이저-전자 빔 시스템과 XFEL의 통합은 고에너지밀도 물질의 초고해상도 진단을 가능하게 하며, 강력한 하드 X선 조사로 인해 d-d 융합 반응 확률이 증가할 가능성도 있다.