[论文解读] A laser–plasma platform for photon–photon physics: the two photon Breit–Wheeler process

B. Kettle, D. Hollatz E. Gerstmayr+36 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文在Gemini设施上提出了一套激光-等离子体平台，可在实验室尺度实现光子-光子碰撞，以研究线性Breit-Wheeler过程（γγ → e⁻e⁺）。通过使用激光尾波加速器产生高能γ射线，并利用激光加热等离子体产生keV量级X射线，该平台实现了对撞光束。磁传输系统与单粒子探测器成功实现了对正负电子对的探测，为首次直接观测该过程奠定了基础。

ABSTRACT

We describe a laser-plasma platform for photon-photon collisionexperiments to measure fundamental quantum electrodynamic processes such as thelinear Breit-Wheeler process with real photons. The platform has been developed usingthe Gemini laser facility at the Rutherford Appleton Laboratory. A laser wakefieldaccelerator and a bremsstrahlung convertor are used to generate a collimated beamof photons with energies of hundreds of MeV, that collide with keV x-ray photonsgenerated by a laser heated plasma target. To detect the pairs generated by the photonphoton collisions, a magnetic transport system has been developed which directsthe pairs onto scintillation-based and hybrid silicon pixel single particle detectors. We present commissioning results from an experimental campaign using this laserplasma platform for photon-photon physics, demonstrating successful generation ofboth photon sources, characterisation of the magnetic transport system and calibrationof the single particle detectors, and discuss the feasibility of this platform for theobservation of the Breit-Wheeler process. The design of the platform will also serve asthe basis for the investigation of strong-field quantum electrodynamic processes suchas the nonlinear Breit-Wheeler and the Trident process, or eventually, photon-photonscattering.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高亮度的激光-等离子体平台，用于在光子-光子碰撞中检验基本量子电动力学（QED）过程。
• 利用真实、高能光子，首次在实验室中观测到线性Breit-Wheeler过程（γγ → e⁻e⁺）。
• 证明通过磁传输与单粒子探测器检测γγ碰撞产生的电子-正电子对的可行性。
• 建立一个可扩展的平台，用于未来研究强场QED过程，包括非线性Breit-Wheeler过程与光子-光子散射。

提出的方法

• 激光尾波加速（LWFA）产生GeV量级电子束，通过轫致辐射生成准直、高能的γ射线束。
• 激光加热固体靶产生宽带、高强度的keV量级X射线光子源，用于与γ射线对撞。
• 磁传输系统将产生的电子-正电子对从相互作用点引导至探测器，最大限度减少本底并保留动量信息。
• 采用闪烁体探测器与混合硅像素Timepix3探测器，实现对单个粒子轨迹的高空间与能量分辨率识别与重建。
• 应用探测器标定与本底抑制技术，确保信号保真度，并实现正负电子对探测的统计显著性。
• 平台设计具备可扩展性与适应性，未来可将X射线源替换为高强度激光脉冲，以研究非线性过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光-等离子体平台能否生成并使高能γ射线与keV量级X射线对撞，通过线性Breit-Wheeler过程产生电子-正电子对？
• RQ2 磁传输系统与单粒子探测系统在识别对事件方面的效率与信噪比性能如何？
• RQ3 在实际射击次数下，该平台能否实现对Breit-Wheeler过程的2σ显著性观测？
• RQ4 如何优化探测器面积、本底抑制与光束聚焦，以缩短所需的数据采集时间？
• RQ5 该平台在研究非线性Breit-Wheeler过程与光子-光子散射过程方面有何前景？

主要发现

• 平台成功生成了两种光子源：通过轫致辐射产生的高能γ射线与通过激光加热等离子体产生的keV量级X射线，证实了对撞方案的可行性。
• 磁传输系统已完成表征，证明其能有效收集并引导电子-正电子对至探测器。
• 单粒子探测器（包括Timepix3传感器）已完成标定，能够以高精度分辨单个粒子轨迹。
• 在当前设置下，假设性能最优，约需1000次射击即可实现对正负电子对探测的2σ显著性。
• 若探测器本底降低10倍，所需射击次数可减少至约500次，凸显了噪声抑制的关键作用。
• 未来升级（如扩大探测器面积，例如使用五个Timepix3传感器）、改进粒子追踪能力及采用主动光束聚焦技术，可进一步缩短数据采集时间并提升效率。