[论文解读] 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 42

一句话总结

提出 LUXE 实验，通过将高能 XFEL 电子束与强激光碰撞，探索非线性康普顿散射、非线性 Breit–Wheeler 对产生以及三体过程，研究强场 QED 的非微扰效应。

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.

研究动机与目标

• 使用欧洲 XFEL 电子束与强力激光，推动并勾勒在强电磁场极限下研究量子电动力学的路径。
• 描述实验配置（电子–激光模式与 γ_B–激光模式）、探测系统与诊断手段，以测量电子、正电子与光子。
• 提供灵敏度预测并对预期结果进行仿真，以确立 SFQED 测量的可行性与测量精度。

提出的方法

• 使用高能 XFEL 电子束（最高可达 17.5 GeV）与高功率激光（30–300 TW）碰撞，达到 xi ~ 0.5–16、chi_e 最高约 ~3。
• 选项 1：直接电子–激光碰撞，研究在所有阶都可能贡献的区域中的非线性康普顿散射与两步三体过程。
• 选项 2：γ_B–激光模式，电子击中钨转换器产生制动辐射光子并与激光碰撞，瞄准非线性 Breit–Wheeler 对产生。
• 提供探测器阵列（硅跟踪器、量能器、切伦科夫探测器），具有高粒度与线性响应，以及束流诊断与数据采集系统。
• 提出分阶段计划：在年度停机期间在电子–激光模式与 γ_B–激光模式之间切换；每种配置运行约 1 个月，以在相似系统误差下达到低于 5% 的统计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性康普顿散射光谱是否能揭示有效电子质量的变化与 xi 变化时的边缘结构？
• RQ2 非线性 Breit–Wheeler 对产生率在低 xi 时是否遵循微扰 xi^2n 的标度，在较高 xi 与 chi_e 约为 1 时是否向非微扰行为发散？
• RQ3 在 e–laser 与 γ_B–laser 碰撞模式中，是否存在所有阶的非微扰 SFQED 效应的证据？
• RQ4 在测量的截面与光谱中，微扰与非微扰区间的转变点在哪里？
• RQ5 高强度极限下，一步与两步三体过程在速率与动力学上有何比较？

主要发现

• 预计在电子–激光模式下实现 xi 约为 16、chi_e 约为 3 的参数范围，推动 SFQED 的研究超出微扰极限。
• 有望以高统计与可控系统误差观测到非线性康普顿散射和非线性 Breit–Wheeler 过程。
• 两种运行模式（电子–激光与 γ_B–激光）为广义 SFQED 景观提供互补入口，并可对理论预测进行交叉校验。
• 预计测量从微扰到非微扰区间的转变，并测试在非微扰 QED 区域预测的指数级标度行为。
• 探测器概念包括高粒度跟踪与量能计，以在广泛动态范围内计数粒子并确定光谱。