近日，中國人民大學物理係王偉(wei) 民教授和中科院物理所李玉同教授研究團隊，利用自主開發的極化QED-PIC程序（PIC：particle-in-cell，粒子模擬）對未來的百拍瓦激光與(yu) 固體(ti) 相互作用中產(chan) 生的大電量、高密度正負電子束的自旋極化進行了探索研究。發現采用激光固體(ti) 靶實驗上常用構型（即線偏振激光與(yu) 具有預等離子體(ti) 的固體(ti) 靶相互作用）就可在百拍瓦激光裝置上產(chan) 生極化率30%、電量30納庫的正電子束，其角通量可達到10¹²sr^-1，在特定能量段上收集的正電子極化率可達到60%。

該工作也表明在未來百拍瓦激光裝置上的一般的激光固體(ti) 靶實驗中，將不可避免地產(chan) 生大量的極化正電子和電子，因此電子/正電子的自旋和光子偏振效應的對激光等離子體(ti) 相互作用的影響需要認真考慮。該研究成果以“Dense Polarized Positrons from Laser-Irradiated Foil Targets in the QED Regime”為(wei) 題於(yu) 2022年7月11日發表在Physical Review Letters上。

圖1. (a)激光固體(ti) 靶相互作用產(chan) 生極化正電子的方案：一束線偏振激光入射到一個(ge) 在靶前具有微米密度標長的固體(ti) 靶上。激光作用結束後，(b) 正電子數密度和 (c) 極化率關(guan) 於(yu) 橫向偏轉角和正電子能量的二維分布，以及關(guan) 於(yu) 橫向偏轉角的一維分布。

自旋極化的正電子在高能物理，材料物理和實驗室天體(ti) 物理等領域具有廣泛的用途。目前，傳(chuan) 統極化正電子源是基於(yu) Bethe-Heitler機製通過圓偏振伽馬光或縱向極化電子轟擊高Z固體(ti) 靶實現的，但是單發的正電子產(chan) 額隻有飛庫量級（10^-15庫侖(lun) ），難以滿足未來正負電子對撞機所需的納庫（10^-9庫侖(lun) ）以及極化正負電子等離子體(ti) 物理研究中的要求。如何獲得大電量和高密度的極化正電子仍然是一個(ge) 巨大的挑戰。

利用極端強激光激發的強場量子電動力學（QED）效應也能產(chan) 生極化的正電子束。近期國內(nei) 外強激光研究機構成功建造了數拍瓦超強激光裝置，並正在建造更強的百拍瓦量級激光裝置，譬如上海光機所建造的SULF、SEL裝置，中物院八所建造的數拍瓦、百拍瓦激光裝置，美國upgraded OMEGA EP裝置，歐洲的ELI裝置等。這些裝置輸出的激光脈衝(chong) 的聚焦強度能夠達到10²³-10²⁵W/cm²，激光場強度可達10¹⁵-10¹⁶V/m，由這樣的極端強激光與(yu) 物質相互作用從(cong) 目前的經典、相對論領域進入到強場量子電動力學（QED）主導的領域。在強場QED領域內(nei) ，受外場偏轉的高能電子會(hui) 通過非線性Compton散射輻射高能伽馬光子，而伽馬光子又可以通過非線性Breit-Wheeler過程高效地湮滅為(wei) 正負電子對。之前的研究表明，如果采用非對稱強激光（橢圓偏振激光或雙色線偏振激光）和高能電子束對撞，產(chan) 生的正電子將是自旋極化的。但是，受限於(yu) 光學器件較低的損傷(shang) 閾值，構造超強的非對稱激光場是十分困難的；並且已有的激光尾場加速獲得的GeV電子束的電量一般為(wei) 數十皮庫（10^-12庫侖(lun) ），這導致產(chan) 生的正電子數目低於(yu) 皮庫量級。

國內(nei) 外多項研究表明利用十拍瓦、百拍瓦激光與(yu) 等離子體(ti) 相互作用可以產(chan) 生高密度的正電子，然而這些正電子極化性質仍然不清楚，這是因為(wei) 目前廣泛使用、對以上問題進行研究的QED-PIC程序忽略了自旋極化效應。該團隊繼2016年開發了國內(nei) 首個(ge) QED-PIC程序（arXiv:1608.06356）之後，在2021年開發了國際上首個(ge) 包含電子/正電子自旋極化和光子偏振效應的QED-PIC程序（New Journal of Physics 23, 075005 (2021)），從(cong) 而具備了研究以上問題的能力。

最近，該團隊利用開發的程序對百拍瓦量級的激光和固體(ti) 靶作用進行了研究，其中采用了常規的線偏振激光脈衝(chong) （激光場初始對稱）以及靶的前表麵有激光預脈衝(chong) 產(chan) 生的微米標長的預等離子體(ti) 。模擬結果表明，一旦激光強度超過10²⁴W/cm²時，正電子就會(hui) 出現明顯的極化，並且此極化依賴於(yu) 偏轉角度。對於(yu) 偏轉角大於(yu) 20度的正電子，其極化率可以達到30%。正電子和電子的極化可歸結為(wei) 它們(men) 產(chan) 生和脫離激光作用區域時感受到了非對稱的激光場。雖然激光場在入射時是對稱的，但是由於(yu) 激光場在高密度靶前表麵的等離子體(ti) 趨膚層附近被強烈地吸收和反射，同時正電子和電子可以自由地通過此趨膚層。因而，正電子和電子隻經曆了部分的激光場就進入到高密等離子體(ti) 內(nei) ，這導致了它們(men) 在趨膚層附近經曆了高度不對稱的亞(ya) 周期激光場，從(cong) 而獲得了具有角度依賴的自旋極化。

在真實實驗中，由於(yu) 激光預脈衝(chong) 是無法避免的，該工作的模擬結果表明它在靶前產(chan) 生的預等離子體(ti) 會(hui) 對正電子的極化和產(chan) 額都具有重要的作用（如圖2所示）。因此，對於(yu) 未來的百拍瓦激光與(yu) 固體(ti) 靶相互作用，極化正電子將普遍存在。這些極化的高密度正電子束可以用於(yu) 研究極化正負等離子體(ti) 物理，也可以經過後續加速後應用於(yu) 未來正負電子對撞機中。

圖2.正電子產(chan) 額和極化率隨(a)預等離子體(ti) 密度標長和(b)激光場強的變化。

論文第一作者為(wei) 博士生宋懷航，共同通訊作者為(wei) 王偉(wei) 民教授和李玉同教授。該研究工作得到了國家重點研發計劃（2018YFA0404801），國家自然科學基金委項目（11775302，11827807），中國科學院戰略性先導科技專(zhuan) 項（XDA25050300，XDA25010300），中國人民大學教授啟動基金(20XNLG01)的支持。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.093902