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

Sebastian Meuren, David A. Reis+12 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 32被引用 6

一句话总结

本白皮书提出在SLAC将一台3–10 PW激光器与一台30 GeV、约10²¹ cm⁻³的高密度超相对论电子束共址部署，以实现对QED等离子体区的探索——在此区域中，强场量子电动力学与集体等离子体效应共存。超相对论电子束的洛伦兹增强效应可将所需激光强度降低至约10²⁰ W/cm²，从而在与磁星和快速射电暴相关的物理背景下，实现对相干对产生、集体动力学及新型量子现象的观测。

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.

研究动机与目标

• 实现对强场QED与集体等离子体效应共存的QED等离子体区的实验访问。
• 通过利用超相对论电子束的洛伦兹增强效应，克服达到 Schwinger 临界场强（约1.3×10¹⁶ V/cm）所需的极端激光强度。
• 研究与磁星和快速射电暴等天体现象相关的致密、相对论性正负电子对等离子体中，相干电子-正电子对产生与集体动力学。
• 打造一个集成多太瓦激光器、高密度电子束与高强度X射线的旗舰级设施，推动高能量密度物理研究并促进未来对撞机设计的发展。
• 通过相对论增强效应实现高束流密度与较低所需激光强度，解决QED等离子体中的耦合产生-观测难题。

提出的方法

• 利用SLAC FACET-II设施提供的30 GeV、约10²¹ cm⁻³电子束，与3–10 PW光学激光系统共址部署。
• 利用电子束参考系中的洛伦兹增强效应，放大有效激光电场，使其达到约10倍的Schwinger临界场强（约1.3×10¹⁶ V/cm）。
• 采用对向传播的几何构型，使电子束与激光相互作用，以最大化场强增强，实现在约10²⁰ W/cm²的激光强度下实现对产生。
• 采用束流压缩技术，实现具有高电荷密度与稳定性的固态密度电子束，以实现与强激光的持续相互作用。
• 集成高重复频率X射线自由电子激光器（XFEL），用于对致密、相对论性正负电子对等离子体进行原位诊断。
• 结合光学激光用于材料压缩，以及XFEL用于超快、高分辨率探测，实现高能量密度物理实验中的多模态研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过多太瓦激光与致密、超相对论电子束的相互作用，实验实现对QED等离子体区的访问？
• RQ2 在强场QED条件下，相干电子-正电子对产生与集体等离子体效应的可观测特征是什么？
• RQ3 洛伦兹增强参考系如何在维持足够对等离子体密度以支持集体效应的同时，降低实现Schwinger临界场强所需的激光强度？
• RQ4 该设施在多大程度上可通过实验室类比，为理解磁星与快速射电暴的物理机制提供新见解？
• RQ5 高亮度电子束、多太瓦激光器与XFEL的集成，能否在直线对撞机设计与非微扰QED研究中实现范式转变？

主要发现

• 30 GeV电子束的洛伦兹增强参考系可将有效激光场增强至约10倍Schwinger临界场强，使在激光强度低至约10²⁰ W/cm²时即可进入强场QED区。
• 与多太瓦激光器相互作用的致密电子束（约10²¹ cm⁻³）可进入QED等离子体区，使相干对产生与电子-正电子对的集体再碰撞等集体效应可观测。
• 该设施可实现足够密度的相干对产生，从而维持集体等离子体动力学，解决了QED等离子体中的耦合产生-观测难题。
• 高能、高密度电子束与多太瓦激光器的结合，可实现通过洛伦兹增强降低γ因子的相对论性对等离子体研究，从而增强集体现象的可观测性。
• 所提出的装置为探测基本QED过程及其在磁星与中子星并合等天体物理环境中的作用提供了独特平台。
• 将XFEL与激光-电子束系统集成，可实现对高能量密度物质的前所未有的诊断能力，包括通过强硬X射线辐照可能增强d-d聚变截面的潜力。