自旋極化的正電子在高能物理、材料物理和實驗室天體物理等領(lǐng)域具有廣泛的用途。目前，傳統(tǒng)極化正電子源是基于Bethe-Heitler機制通過圓偏振伽馬光或縱向極化電子轟擊高Z固體靶實現(xiàn)的，但是單發(fā)的正電子產(chǎn)額只有飛庫量級（10-15庫侖），難以滿足未來正負電子對撞機所需的納庫（10-9庫侖）以及極化正負電子等離子體物理研究中的要求。如何獲得大電量和高密度的極化正電子仍然是巨大的挑戰(zhàn)。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室L05組博士生宋懷航、研究員李玉同和中國人民大學物理系教授王偉民對激光等離子體物理中強場量子電動力學（QED）自旋極化效應(yīng)進行了長期的理論模擬研究【Physical Review A 100, 033407 (2019)】，并發(fā)展了國際上首個包含電子/正電子自旋極化和光子偏振效應(yīng)的QED-PIC程序（PIC：particle-in-cell，粒子模擬）【New Journal of Physics 23, 075005 (2021)】。最近，該團隊利用該程序?qū)θ绾萎a(chǎn)生高密度的極化正電子源進行了研究，發(fā)現(xiàn)采用激光固體靶實驗上常用構(gòu)型就可在百拍瓦激光裝置上產(chǎn)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% 【Physical Review Letters 129, 035001 (2022)】。由于該方案采用了實驗中常用的構(gòu)型（即線偏振激光與具有預等離子體的固體靶相互作用），而不需要特殊的激光和靶設(shè)計，所以更具有可行性和實用性。此外，該工作表明在未來百拍瓦激光裝置上的激光固體靶實驗中，將不可避免地產(chǎn)生大量的極化正電子和電子，所以在此情形下必須考慮電子/正電子的自旋和光子偏振效應(yīng)的影響。
在強場QED領(lǐng)域內(nèi)，受外場偏轉(zhuǎn)的高能電子會通過非線性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過程高效地湮滅為正負電子對。此前研究表明，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(chǎn)生的正電子將是自旋極化的。但是激光尾場加速獲得的GeV電子束的電量只有數(shù)十皮庫（10-12庫侖），這就導致產(chǎn)生的正電子數(shù)目低于皮庫量級。此外，受限于光學器件較低的損傷閾值，構(gòu)造超強的非對稱激光場也是十分困難的。另一方面，利用十拍瓦、百拍瓦激光與等離子體相互作用可以產(chǎn)生高密度的正電子，然而這些正電子極化性質(zhì)仍然不清楚，因為目前廣泛使用、對以上問題進行研究的QED-PIC程序忽略了自旋極化效應(yīng)。為了弄清這一問題，該團隊利用自主開發(fā)的YUNIC QED-PIC程序?qū)Π倥耐吡考壍募す夂凸腆w靶作用進行了研究，其中采用了常規(guī)的線偏振激光脈沖（激光場初始對稱）以及靶的前表面有激光預脈沖產(chǎn)生的微米標長的預等離子體。模擬結(jié)果表明，一旦激光強度超過1024W/cm2時，正電子就會出現(xiàn)明顯的極化，并且此極化依賴于偏轉(zhuǎn)角度。對于偏轉(zhuǎn)角大于20度的正電子，其極化率可以達到30%，并且可以通過篩選特定能量的正電子進一步將極化率提升到60%（圖1）。正電子和電子的極化可歸結(jié)為它們產(chǎn)生和脫離激光作用區(qū)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，但是由于激光場在高密度靶前表面的等離子體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，正電子和電子只經(jīng)歷了部分的激光場就進入到高密等離子體內(nèi)，這導致了它們在趨膚層附近經(jīng)歷了高度不對稱的亞周期激光場，從而獲得了具有角度依賴的自旋極化。在真實實驗中，由于激光預脈沖是無法避免的，該工作的模擬結(jié)果表明它在靶前產(chǎn)生的預等離子體會對正電子的極化和產(chǎn)額都具有重要的作用（圖2）。該工作表明對于未來的100 PW超強激光與固體靶相互作用，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于研究極化正負等離子體物理，也可以經(jīng)過后續(xù)加速后應(yīng)用于未來正負電子對撞機。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Physical Review Letters上。相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。
圖1 (a) 激光固體靶相互作用產(chǎn)生極化正電子的方案：一束線偏振激光入射到一個在靶前具有微米密度標長的固體靶上。激光作用結(jié)束后，(b) 正電子數(shù)密度和 (c) 極化率關(guān)于橫向偏轉(zhuǎn)角和正電子能量的二維分布，以及關(guān)于橫向偏轉(zhuǎn)角的一維分布。
圖2 正電子產(chǎn)額和極化率隨 (a) 預等離子體密度標長和 (b) 激光場強的變化。
來源：中國科學院物理研究所
