强激光与靶相互作用中超短、相对论正电子束的产生与加速研究

Relativistic positron beams are of paramount importance in experimental physics due to their direct applications to a wide range of physical fields, including nuclear physics, particle physics, material science, and medical imaging application. The possibility of generating small-scale electron-positron jets is also a key problem to understand enigmatic astrophysical phenomena, such as out-spills of Black Holes, Active Galactic Nuclei, long Gamma-ray Bursts, etc. Relativistic positron production and acceleration using intense laser-solid interaction have attracted a lot of attention in these years. In this project, we analyze the detailed positron generation and acceleration processes, and study the transfer efficiency from hot electron to positron; considering high-energy electron-target interaction, positron production and acceleration processes, we will develop a special Monte Carlo package to simulate the processes of relativistic positron generation and acceleration from high-Z solid target, quantitatively analyze the effects of target normal sheath potential, laser electric field and laser ponderomotive force on positron acceleration; then we will discuss the possibility of generating femtosecond, ultrarelativistic (γ_{e+}≥500) positron beame, and valuate the beam properties of the positrons, such as energy and angular distribution, pulse duration and number density. These studies may give possible interpretations on the peak energy shift in the positron spectrum observed in many experiments, and may benefit the researches on generation of positron beams with high energy and high density.

相对论正电子束在实验物理中非常重要，它可以直接应用于核物理、粒子物理、材料科学和医学成像等众多前沿领域。小尺度电子-正电子喷注产生的可行性分析对研究神秘莫测的核天体物理现象（譬如黑洞沦陷、活动星系核，长脉冲伽玛爆等）同样至关重要。本项目针对近年来提出的基于超短超强激光与靶相互作用的正电子产生及加速问题，分析正电子产生与加速的相关细致物理过程，研究该过程中超热电子-正电子转换效率；开发考虑高能电子与靶相互作用、正电子产生与加速等过程的蒙特卡罗模拟程序包，定量分析靶背鞘层静电势、激光场强和有质动力对正电子加速作用的影响；探索产生飞秒超短、超相对论（γ_{e+}≥500）的正电子束的物理方案，以及诊断正电子产生及加速后的物理特征如能谱分布、脉冲时间结构、角分布和数密度等。上述研究将有望阐述目前实验观测到但理论难以解释的正电子峰位移动现象，可为高能量、高密度的正电子源产生及其前沿应用提供理论参考。

相对论正电子束在实验物理中非常重要,它可以直接应用于核物理、粒子物理、材料科学和医学成像等众多前沿领域。小尺度电子-正电子喷注产生的可行性分析对研究神秘莫测的核天体物理现象(譬如黑洞沦陷、活动星系核,长脉冲伽玛爆等)同样至关重要。本项目主要围绕极端激光强场下的高能量密度的正负电子对产生及其级联过程开展研究。. 研究了极端光场下的正负电子对等离子体产生及其动力学过程。利用二维含非线性量子电动力学（QED）效应的粒子模拟程序Epoch模拟和比较单束、双束10拍瓦激脉冲与超薄固体靶相互作用的伽玛光子和正负电子等离子体产生过程，发现双束激光对撞方案由于可对称压缩固体靶、维持准静态的驻波场，以及增强高能伽玛光与激光脉冲的作用几率，导致激光－伽玛光以及激光－正负电子对的能量转换效率提高3倍（归一至单个激光脉冲能量），以及正负电子对等离子体密度相应增大8倍。在双束激光对撞方案中，进一步研究发现驻波场对QED正负电子对的能量、相空间分布有周期性的调制，并发现较低密度的等离子体靶更有利于正负电子对的产生。. 研究了极端光场条件下的QED级联阈值强度、级联捕获效应与饱和效应。当激光强度为10^{23} W/cm^2量级时，辐射捕获效应占主导，它将QED产生的正负电子对收集在驻波场的波节处。当激光强度继续增时，发现新的带电子粒子动力学，即QED级联捕获效应。在280倍激光临界密度CH靶参数下，发现QED级联捕获的阈值场强为 I_(th)＝1.1 × 10^{24} W/cm^2。QED级联捕获可进一步增强激光－伽玛，激光－正负电子对的能量转换，使产生并聚集的正负电子等离子体密度超过相对论性的临界等离子体密度，从而使激光与靶相互作用过渡到激光与QED等离子体相互作用占主导的作用区域。在相同的等离子体靶参数下进一步研究了QED级联增长率随激光场强的标定率，发现（平均）级联增长率有如下标定关系:〈Γ_+ 〉~ 0.67e^(-I_(th)/I_0 )，由此揭示了QED级联的饱和趋势。. 另外，研究了激光加速电子与高Ｚ靶相互作用的正电子产生。通过理论分析，建立了激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的物理模型和程序。模拟研究了不同靶材和靶厚条件下正电子束的产额、能谱和角分布等主要物理参数。获得优化后的正电子源，以及开展了激光辐射源的核废物嬗变研究。