北大研究團隊提出激光驅動光子對撞機的新方案

近日，北京大學物理學院顏學慶教授和盧海洋研究員領導的課題組提出了激光驅動光子對撞機的新方案，該方案每脈衝可以產生3億個Breit－Wheeler事件，並且所產生的正負電子對發散角隻有7度，具有非常好的準直性。同時，背景噪聲可以得到有效抑製，信噪比高達1000：1。

在光子對撞機中，光子的互作用的次數與光子數目和光子互作用截麵成正比，與光子束的脈衝寬度、兩束光子束的交疊麵積成反比。在過去實驗中不能觀測到光子的互作用過程是因為已有伽馬射線源的流強和亮度還達不到要求。

團隊研究人員在前期的工作中對產生超高亮度伽馬光源進行了深入的研究，首次從理論上係統闡明了微通道結構靶中，縱向電場主導了電子的加速過程，同時電子的橫向加速可以得到有效的抑製，因此可以獲得高準直性的電子束，當這些電子束在橫向場中的相位發生反轉時，電子就會在管道邊界處產生強伽馬輻射。由於電子的發散角決定了伽馬輻射的發散角，因此可以獲得準直性非常好的γ－ray輻射源。數值模擬中10PW激光所能獲得的發散角小於3度，最亮的伽馬輻射源，亮度比之前研究報道結果高出兩個數量級。

本次工作基於以上研究成果，將該超高亮度的伽馬射線應用於光子對撞機。理論計算結果表明，該方案可以獲得超高信噪比（＞1000：1），且每一發正負電子對信號（＞1e8）遠高於現有測量技術的探測極限。因此，通過該方案可以在實驗室中驗證光子互作用過程中由能量到物質的轉換過程，將提供激光驅動光子對撞機研究的新途徑，也將極大的促進雙光子BW物理的發展。未來有望依據本方案建設基於重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應用裝置。

相關研究成果已發表在《物理評論快報》上。

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