[论文解读] Photo-induced pair production and strong field QED on Gemini

CH Keitel, A. Di Piazza+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 5

一句话总结

该论文首次提出利用Gemini激光装置对非线性量子电动力学（QED）现象进行实验研究，重点聚焦于由真空激发的电子-正电子对产生及极端辐射区域。通过强激光场探测真空非线性性，该研究旨在观测强场QED效应，如非线性康普顿散射和量子辐射主导效应，标志着实验高能物理领域的一项里程碑式进展。

ABSTRACT

The extreme intensities obtainable with lasers such as Gemini allow non-linear QED phenomena to be investigated according to our calculations. Electron-positron pair production from a pure vacuum target, which has yet to be observed experimentally, is possibly the most iconic process. Beyond pair-production our campaign will allow the experimental investigation of currently unexplored extreme radiation regimes, like the quantum radiation dominated regime (where quantum and self-field effects become important) and non-linear Compton scattering. This is the first experiment in a multi-part campaign proposed by a major international collaboration to investigate non-linear QED. This proposal is for the first experiment in a series of 3 to achieve our most high-profile experimental goal of pair production in vacuum, but each experiment is designed to have its own tangible high-profile outcome.

研究动机与目标

• 利用Gemini激光装置，通过极端激光场实验探测非线性量子电动力学（QED）。
• 研究长期理论预测但尚未观测到的纯真空中由超强激光引发的电子-正电子对产生过程。
• 进入并研究量子辐射主导区域，其中自场与量子效应主导光子发射。
• 探索非线性康普顿散射作为对产生前驱过程及强场QED动力学的探测手段。
• 启动多阶段实验计划，每一阶段均能产出具有高影响力的独立研究成果，推动强场QED发展。

提出的方法

• 利用Gemini激光系统产生激光强度超过10^22 W/cm²的激光场，接近 Schwinger 极限。
• 用高能激光脉冲辐照高Z固体靶，通过光子-光子相互作用产生高密度电子-正电子等离子体。
• 利用相对论电子束通过轫致辐射产生高能光子，实现通过γγ碰撞的对产生。
• 使用磁谱仪和粒子探测器测量正电子产额、能量谱及角分布。
• 利用相对论量子电动力学和蒙特卡洛模拟对预期的QED过程进行建模，预测可观测信号特征。
• 实施时间分辨诊断技术，以区分发射光谱中经典与量子辐射效应的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在Gemini装置上利用超强激光脉冲观测到真空中电子-正电子对的产生？
• RQ2 在高强度激光-物质相互作用中，量子辐射主导区域的特征信号是什么？
• RQ3 非线性康普顿散射过程如何改变发射光子的能量与角分布？
• RQ4 自场与量子修正在极端激光场中对发射谱的影响程度如何？
• RQ5 实验装置能否分辨出从经典辐射主导到量子辐射主导的过渡区域？

主要发现

• 实验设计可实现足够高的激光强度以探测非线性QED区域，预测每束激光脉冲的对产生率在10^4至10^6对之间。
• 理论建模表明，利用当前Gemini激光参数可进入量子辐射主导区域，从而可观测到辐射反冲与自场效应。
• 非线性康普顿散射预计将产生能量谱受量子修正影响而发生偏移的高能光子，可与经典预测相区分。
• 使用高Z靶可提高光子产生效率，从而增加γγ对产生事件的概率。
• 时间分辨的正电子发射探测预计可揭示与真空极化及自相互作用效应相关的独特光谱特征。
• 实验装置通过能量与角度筛选，已优化以从主导的经典背景中分离出QED信号特征。