超强激光驱动近临界密度等离子体中的QED效应研究

With the rapid development of the laser technologies and the advent of the PW laser facilities around the word, ultra-relativistic laser-plasma interaction has been becoming research hotspot and difficulty of multi-crossed disciplines. On the one hand, numerous secondary particles generation poses a great challenge to the numerical technologies; on the other hand, the extreme laser fields bring unprecedented new phenomena, new physics and new effects. In this project, we plan to investigate, analytically and numerically, the interaction of ultra-relativistic laser pulses and near-critical-density plasmas. It is intended to make a breakthrough in the technologies of QED-PIC simulations. On this basis, the threshold of electron radiation trapping is to be reduced; the dynamics of electrons and ions in complex electromagnetic environment is to be clarified and some new QED effects such as the multi-photon emission process and nonlinear Breit-Wheeler process are to be investigated. Afterwards, the electron-positron pair production, acceleration, transport in the plasmas, and confinement in the ultra-relativistic laser fields are to be analyzed carefully. Meanwhile, the applications of the high-energy-density electron-positron pairs and ultra-brilliant gamma-rays in high-energy physics and astrophysics are to be explored. These studies will pave the way to the experimental demonstration of the QED effects in the future PW laser facilitates.

随着超短超强激光技术的飞速发展以及大型拍瓦激光装置的陆续兴建，极端相对论激光与等离子体相互作用中的QED效应研究逐渐成为多学科领域交叉研究的热点和难点。一方面，由于大量次级粒子的产生，相互作用过程对模拟技术本身提出了巨大挑战；另一方面，超强激光辐照等离子体将带来前所未有的新现象和新效应。本项目针对极端相对论激光与近临界密度等离子体相互作用过程进行理论分析和数值模拟研究，重点突破QED-PIC模拟带来的技术瓶颈，有效降低电子辐射捕获对应的激光强度阈值，阐明复杂电磁环境下的电子、离子动力学，深入研究近临界密度离子体中激发的QED效应，如多光子辐射和非线性Breit-Wheeler过程，细致分析强流正电子束的产生、加速、输运和约束的基本原理，探索高能量密度正负电子对和超高亮度伽马射线在高能物理和天体物理中的应用，为未来在数拍瓦激光装置上开展QED效应的实验研究提供可表征参数和关键技术方案。

极端相对论激光与等离子体相互作用中的强场量子电动力学（QED）效应研究是当前多学科领域交叉研究的热点和难点。在该项目的资助下，我们针对极强激光与等离子体相互作用过程进行了深入研究，主要成果包括：1) 基于kmeans算法发展了新型粒子融合技术，开发了多粒子碰撞模块，讨论了近临界密度等离子体中的电子加速、高能光子辐射、辐射阻尼效应以及多光子Breit-Wheeler过程；2) 运用新开发的程序研究了激光的偏振态对近临界密度等离子体中电子动力学和辐射的影响，分析了经典电动力学框架下任意入射角非线性汤姆逊散射过程，得到了辐射电场和能量的普适表达式；3) 提出了一种可产生准直性好、具有高轨道角动量和高亮度的γ光子束涡旋的新方案，一种从具有特定密度梯度的两级等离子体中激发高亮度GeV能量的γ射线的方案，以及一种通过径向偏振光照射纳米丝靶产生高品质亚飞秒电子脉冲的方案；4）开展了近临界密度等离子体中稠密正负电子对的产生、加速和操控研究，分析了双束激光驱动下高能粒子的碰撞截面和π介子及缪子产生过程，探索了高密度缪子束在高能物理和天体物理方面的应用。项目经过四年的系统研究，完成了预期研究任务，达到了研究目标。. 截止2022年底，项目实际发表SCI论文35篇，EI论文1篇，中文综述3篇。其中，中科院一区论文5篇，多篇论文被杂志遴选为featured article、editors’pick或者封面论文。培养毕业博士2名，硕士8名；有一篇硕士学位论文入选湖南省优秀硕士学位论文。项目负责人余同普荣获第十六届王大珩光学奖中青年人员奖、第五届亚太等离子体物理“杰出青年科学家奖”（U40）和第二届全国等离子体科学技术优秀青年创新奖，并入选2020年度湖南省科技创新领军人才和2021年度军队青年科技英才。项目组骨干邹德滨和刘可晋升副教授。此外，课题组与上海交通大学盛政明教授合作获批国家自然科学基金重点项目1项。以课题组为骨干承办了第九届全国高能量密度物理会议、第六届高能量密度物理青年科学家论坛和第一届“光·核·等离子体”湖湘论坛，获得圆满成功。