介紹一種線性布賴特-惠勒過程的新實現(xiàn)方案

正電子是電子的反物質(zhì)，它們有相同的質(zhì)量，但卻有相反的電荷。當(dāng)正電子和電子相遇時，它們會相互湮滅，釋放出高能的光子，這個過程叫做正負(fù)電子對湮滅。但是，這個過程也可以反過來進(jìn)行。如果兩個高能的光子相撞，它們也可以產(chǎn)生一對正負(fù)電子。這個過程叫做線性布賴特-惠勒過程，它是光子和光子之間最基本的相互作用之一。

你可能會問，為什么我們要關(guān)心這個過程呢？有兩個主要的原因。第一個原因是，這個過程是量子電動力學(xué)中最簡單的過程之一，它可以檢驗我們對量子場論的理解。第二個原因是，這個過程可以提供一種新的方法來產(chǎn)生和加速正電子束。正電子在自然界很少存在，但在科學(xué)和工程中有很多應(yīng)用，比如正電子發(fā)射斷層掃描或者正負(fù)電子對撞機(jī)。

那么，我們怎么實現(xiàn)這個過程呢？我們需要兩個條件：第一個條件是，我們需要有足夠高能的光子。第二個條件是，我們需要有足夠密集的光子。換句話說，我們需要一個光子對撞機(jī)。但是，要建造一個光子對撞機(jī)并不容易。傳統(tǒng)的方法是利用高能電子束和強(qiáng)磁場來產(chǎn)生高能光子，并讓它們在一個小空間內(nèi)相遇。但是，這種方法需要非常大型和昂貴的設(shè)備，并且效率很低。

那么，有沒有更好的方法呢？最近一篇發(fā)表在《物理評論快報》的論文介紹了一種簡單而有效的方案，即利用超強(qiáng)激光脈沖與接近臨界密度等離子體相互作用，在其中形成一個自組織的光子對撞機(jī)，從而產(chǎn)生和加速正電子。

等離子體是由帶電粒子（如電子、離子、原子核等）組成的第四態(tài)物質(zhì)。等離子體中存在著復(fù)雜而豐富的集體行為和波動現(xiàn)象。當(dāng)激光脈沖與等離子體相互作用時，會產(chǎn)生各種各樣的非線性效應(yīng)和粒子加速機(jī)制。等離子體有一個重要的參數(shù)叫做臨界密度，是指當(dāng)激光入射到等離子體時，激光無法穿透等離子體的密度。臨界密度的數(shù)值取決于激光脈沖的波長，一般來說，波長越短，臨界密度越高。

當(dāng)激光入射到近臨界等離子體時，激光會在等離子體表面形成一個強(qiáng)烈的電場，將電子推向激光前沿。這樣就形成了一個高能的同步輻射源，可以發(fā)射出高能的光子。這些高能的光子可以在激光前沿相互碰撞，產(chǎn)生正負(fù)電子對。同時，由于等離子體表面的電場，這些正電子會被加速到超相對論能量。這樣就實現(xiàn)了用超強(qiáng)激光脈沖產(chǎn)生和加速正電子的目標(biāo)。接下來，研究人員打算用數(shù)值模擬驗證該機(jī)制。

不過，這個過程雖然非常簡單，但是卻很難用數(shù)值模擬來驗證。因為要模擬線性布賴特-惠勒過程，你需要同時考慮光子和粒子之間的相互作用，這需要很大的計算資源和時間。不過，他們用一種新穎的方法來模擬這個過程，并且得到了一些有趣的結(jié)果。

他們發(fā)現(xiàn)，在實驗可達(dá)到的激光強(qiáng)度下（10^22 W/cm^2），用近臨界等離子體作為靶標(biāo)可以產(chǎn)生一個具有幾十GeV能量、0.1 pC總電荷、10°發(fā)散角的正電子束。這個正電子束主要來自于線性布賴特-惠勒過程，而不是其他可能的過程，比如貝特-海特勒過程，即高能光子與原子核碰撞產(chǎn)生正負(fù)電子對的過程。

這個模擬結(jié)果為將來實驗觀察線性布賴特-惠勒過程和應(yīng)用正電子束提供了一種可行的途徑。

審核編輯：劉清