超强激光驱动μ子源的模拟与实验研究

Muon was a popular research object in fundamental physics and applied physics. However, cosmic ray muon source has low intensity, high energy, and very long stopping range. The accelerator muon source has high budget and technique problems making it impossible to be applied commonly in laboratories except finite facilities in the world. Dimuons produced by short pulse laser has the advantages of high intensity, small source emittance, short pulse duration, and low cost to serve as a new type of muon source. It has not been researched yet. The project here proposes to study the dimuon production by ultrashort pulse laser via the Bethe-Heitler mechanism based on Geant4 simulation and the 45TW laser facility in Research Center Laser Fusion, CAEP. Since high muon flux generated by short pulse laser shot is generally accompanied by high radiation background, a suitable detection system is proposed to distinguish muon signals from radiation background by measuring the muon lifetime. The research can be used to approve a new muon source in laser laboratory, which has potential applications in material science, biomedical, superconductor physics and so on.

μ子物理是基础物理以及应用物理研究的热门领域。然而已有的宇宙线μ子源或加速器μ子源的局限性限制了μ子物理研究的广泛开展。基于超短超强激光的台面级μ子源预期具有通量高、发散度小、超短脉冲且低成本的优势，但目前文献中只开展了一定的理论研究。其实验研究难点在于如何在有限μ子产额下从超短超强激光打靶伴随产生的巨大辐射本底中获得μ子的物理信号。本项目拟针对基于超短超强激光的μ子实验产生以及强辐射本底下的μ子物理表征开展研究，通过Geant4模拟获得超短超强激光产生μ子的实验优化设计以及强辐射本底情况下的μ子表征方法。在此基础上，项目将利用中物院激光聚变研究中心的45TW超短超强激光装置开展μ子产生实验。通过本项目研究有望首次在激光实验室观测到μ子产生的物理信号，获得这一领域非常前沿的物理成果。研究能够推动激光实验室μ子源的快速发展，带来实验室μ子源和μ子物理研究的新局面。

本项目对基于超短超强激光产生μ子机制及其在强辐射本底下的物理信号表征进行了研究。基于Geant4程序建立了利用高能电子在转换靶上产生μ子及其探测的程序包，对μ子的产生和探测过程进行细致研究，获得了μ子产生的优化设计，模拟研究还对比了不同带电粒子源如质子、C离子、氘离子用以产生μ子的优劣。利用Geant4程序对μ子的物理表征方法进行研究，结果即使表明只有300个事例，也可以得到非常好的衰变曲线。而其它辐射本底的影响只是在指数分布上叠加了一个均匀分布的本底，并不影响对寿命的测量。基于激光聚变研究中心的45TW激光装置开展了μ子产生实验，但是受限于电子源的能量（小于300MeV），μ子的产生截面太低，因此还未能获得明确的μ子物理信号。我们还首次提出了利用超短脉冲激光产生的尾场对μ子进行加速的理论，并对μ子的加速机制进行了首次研究，通过一维解析计算和二维PIC模拟方法对μ子在尾场结构中的加速过程进行研究，结果表明，μ子在尾场中可以被加速至相比电子高两至三倍的能量，具有更长的失相长度，因而是一种非常好的加速对象。我们还对可以被加速的μ子的能量下限进行了计算，结果表明，初始能量为1.1GeV的μ子，在相对论因子达到40的空泡结构中被充分加速，则其最终能量可达到15GeV以上。