美捷跨国合作计划利用ELI光束线多拍瓦激光装置生产伽马射线

       近日，国家科学基金会（美国，NSF）和捷克科学基金会（GACR）共同支持一个跨国项目，由美国加利福尼亚大学圣迭戈分校和捷克共和国ELI-Beamlines（极端光基础设施）共同合作。

图1 高能伽马射线发射的超级计算机模拟(黄色箭头)。 

       该团队的目标是利用ELI光束线的多拍瓦激光设施，高效产生密集的伽马射线束。由于它们具有极高的能量，像脉冲星这样的恒星物体可以直接从光中产生物质和反物质。脉冲星的实际磁场，或称为“磁气圈”充满了光子碰撞产生的电子和正电子。

       然而，地球实验室观测到同样的现象是极具挑战性的，它需要密集的光子云，其能量比可见光高出数百万倍。虽然，该条件至今未能实现，但理论预测高功率激光器应该能够产生这样的光子云。

前沿研究

       作为第一个国际激光研究基础设施，致力于高功率和高强度激光的应用，极端光基础设施（ELI ERIC）将使这种研究成为可能。基于专业和互补设施ELI Beamlines（捷克共和国）和ELI ALPS（匈牙利），ELI ERIC是一个多站点的基础研究大型设施。因此，升级的ELI将为在实验室中验证以上理论提供必要的环境。

       加利福尼亚大学圣迭戈分校提供理论计算，ELI Beamlines承担实验部分，以及美国通用原子公司制定目标制造和负责仪器的工程专业知识。

       该项目的资助经费大约为100万美元，主持人为加利福尼亚大学圣迭戈分校Mario Manuel博士，通用原子公司Mario Manuel博士领导开发升级评估部署计划，ELI Beamlines将由Florian Condamine博士和Stefan Weber博士团队负责实验。

       这个项目的理论概念是由加利福尼亚大学圣迭戈分校Arefiev团队提出，专门从事强光物质相互作用的超级计算机模拟。该项目的计算方法利用了“相对论透明性”效应，当等离子体中的电子被高能激光加速到接近光速时，初始不透明的致密等离子体会对激光“透明”。此时，相对论电子在磁场中振荡，这反过来又导致伽马射线沿着激光方向发射。

       Arefiev说：“令人兴奋的是，我们能够产生先前只存在于极端天体物理对象（茹中子星）中的那种磁场。高功率ELI光束线激光器是实现这一环境的关键。”

高功率激光产生伽马射线的首次研究

图2 P3(等离子体物理平台)在 ELI Beamlines上安装。

       这些实验将为使用高功率激光产生伽马射线提供第一个统计相关的研究。该团队希望，这项工作为次级高能光子源开辟道路。这不仅可以用于基础物理研究，而且可以用于一系列重要的工业应用，如材料科学、核废料成像以及核燃料测定等。

       另一项技术的进步将大大推进该实验。在这之前，高功率激光设备可以每小时发射一次，这限制了可以收集的数据量。然而，新的设备，如ELI光束线能够每秒实现若干次捕获。

       这些能力使得对激光与目标相互作用的统计研究成为可能，而这在几年前是不可能的。这意味着，为了充分利用这些可能性，有必要改变这些实验的设计和执行方式。

       Condamine说：“ELI Beamlines的P3站是一个独一无二且多功能的实验基础设施，服务于复杂的高场实验和聚焦计划的项目。圣迭戈分校和ELI Beamlines之间的合作有望成为美国科研界和ELI团队联合实验的重要推力。”

       因此，这个项目的一个主要部分是在ELI Beamlines培训下一代科学家，以开发反复使用的能力。加利福尼亚大学圣迭戈分校的学生和博士后研究人员还将在通用原子公司新型激光设备GALADRIEL上接受重复目标部署和数据采集方面的科学训练，以帮助在ELI Beamlines进行的实验的效率。

这就是“有效合作”

       GACR负责人Petr Baldrian说：“这是捷克科学基金会和美国国家科学基金会资助的第一个项目。我相信这两个机构之间的首次合作将会带来更多成功项目，捷克共和国和美国合作的科学团队将从中获益良多。”

       NSF负责人Sethuraman Panchanathan说：“我们很高兴能与捷克共和国的同行合作，进一步扩大在人工智能、纳米技术和等离子体科学研究等方面的国际科学合作。我对此持有积极态度，这将是NSF和GACR之间众多合作项目中的第一个。”