封面故事——利用激光-等离子体相互作用产生高偏振度高能高亮度γ射线

最近，西安交通大学栗建兴教授带领的研究团队与国防科技大学、中国人民大学有关研究人员合作，在量子辐射机制中利用激光-等离子体相互作用产生高偏振高能高亮度γ射线研究方面取得了重要进展。在局域恒定场近似下，研究者利用自旋分辨的量子电动力学粒子模拟程序 (QED-PIC) 描述电子自旋和动量动理学以及光子辐射和偏振。当超强线偏振(LP)激光脉冲穿过近临界密度(NCD)等离子体辐照超薄平面铝靶时，NCD 等离子体中的电子首先被驱动激光加速到超相对论能量，然后与铝靶反射的激光脉冲正面碰撞，经非线性康普顿散射辐射出平均偏振约70% 、能量高达数百MeV的高亮度线偏振γ射线。这种γ射线可以利用目前可实现的激光设备产生，并将有望应用于高能量密度物理和实验室天体物理研究。报道这一研究成果的论文已经作为封面文章， 发表在2020年第5卷第5期的Matter and Radiation at Extremes上。

     “Generation of highly-polarized high-energy brilliant γ-rays via laser-plasma interaction”
       https://doi.org/10.1063/5.0007734

Progress in matter and radiation at extremes in China

特定偏振高能γ射线具有广泛而重要的应用，例如，产生自旋极化正电子和电子、探究暗物质和黑洞的辐射机制和性质、激发巨偶极共振中核的极化相关光裂变、介子光致产生，以及探测超强激光场中真空双折射等。这种γ射线通常由轫致辐射或线性康普顿散射产生。然而，前者不能产生线偏振γ射线、在非相干机制中存在大散射角和大发射度的缺点、在相干机制中电流密度和辐射通量均受限于晶体材料损伤阈值；后者由于激光强度低，受到电子-光子低碰撞概率的严重限制。因此，需要研究新的高偏振度高亮度γ射线制备方法，以突破相关应用限制。

       近期，随着高功率激光技术的迅速发展，最先进的激光装置已经可以提供峰值强度为1022 W/cm2的激光束，脉冲持续时间为几十飞秒，能量涨落约为1%。这些促进了对激光-等离子体或激光-电子束相互作用过程中的量子电动力学过程的实验研究。这样的强激光场可以通过辐射自旋效应直接极化电子，并通过自旋分辨正负电子对产生概率的不对称性产生极化正电子。此外，在如此强的激光场中，康普顿散射过程进入了非线性机制：在激光-电子相互作用过程中，电子可以吸收数百万个低能激光光子并辐射出单个高能γ光子。在激光-电子束相互作用中，通过非线性康普顿散射可以产生高偏振度高能高亮度γ射线：在超强激光场中，辐射长度(与激光强度成反比)远小于激光波长，不能携带驱动激光的螺旋度，因此，辐射光子的圆偏振是从电子的角动量(螺旋性)转换而来(相比之下，产生线性偏振γ光子不需要极化电子)。这种机制与汤姆逊散射、线性和弱非线性康普顿散射的机制都大为不同：后者由于辐射长度大于激光波长，辐射γ光子的偏振可以从驱动激光场获得。产生的高能偏振γ光子与激光场进一步相互作用，可以通过多光子 Breit-Wheeler 过程产生电子-正电子对，在这种情况下，光子的偏振状态将对正负电子对产生概率具有重大影响。

图1 利用非线性康普顿散射产生线偏振(LP) γ射线示意图。超强 LP 激光脉冲沿 y 轴偏振、沿 x 方向传播，辐照近临界密度氢等离子体及其后的超薄平面铝靶。激光驱动的等离子体中的超相对论电子与靶反射的激光脉冲正面碰撞，辐射出 LP 高能光子，能够穿透靶继续向前传播。

近年来，全光γ光子源引起了广泛兴趣。目前高亮度高能γ射线产生方法大多是基于轫致辐射、非线性汤姆逊散射、同步辐射、电子回旋振荡、以及康普顿散射等。但是，在这些工作中，有关γ光子偏振信息常常被忽略了，特别是在激光-等离子体相互作用的强非线性康普顿散射区，光子偏振实际上会显著影响后续次级粒子的产生。因此，激光与等离子体相互作用过程中辐射γ光子的偏振机制仍然是亟待解决的关键问题。

       栗建兴等研究了在现有激光强度下激光-等离子体相互作用产生高偏振度高能高亮度γ射线的量子辐射机制。实现了二维和三维粒子模拟程序中局域恒定场近似下的电子自旋和光子偏振算法，用以描述自旋分辨电子动理学和光子辐射与偏振。文中考虑了一个常用的实验装置: 用超强LP 激光脉冲照射近临界密度(NCD)氢等离子体及其后面的超薄平面铝靶(见图1中的相互作用场景)。等离子体中的电子首先被驱动激光脉冲加速到超相对论能量，然后与铝靶反射的激光脉冲正面碰撞，通过非线性康普顿散射辐射出大量线偏振γ光子，平均偏振度约为70%， 能量高达数百MeV，在给定参数情况下亮度约为1021光子/(s · mm2 · mrad2 0.1% BW)。与激光-电子束相互作用相比，这种相互作用机制更容易实现，因为只需要一束激光。文中还展示了激光器和靶的参数对γ射线偏振度和亮度的影响。此外，利用充满 NCD 氢等离子体的金锥靶代替平面靶，在相同驱动激光条件下，由于激光驱动的强准静磁场的影响，辐射γ射线的准直度和能量都有所提高，但极化率有所降低（图2）。

图2 以金锥靶代替平面铝靶，利用非线性康普顿散射产生线偏振 (LP) γ射线示意图