相对论自旋极化正电子源制备方法研究取得进展

西安交通大学物理学院栗建兴教授团队与中国原子能科学研究院核物理研究所吕冲副研究员合作，在相对论自旋极化正电子源制备方法研究方面取得重要进展，首次提出利用单发超短超强激光脉冲与固体箔靶相互作用产生高密度、高极化度正电子源的新方案。近日，相关成果在线发表于《物理评论快报》。

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（a）利用单发次激光脉冲与倾斜放置的固体箔靶相互作用产生自旋极化正电子源的示意图（b）直接激光加速过程（c）非线性康普顿散射（d）非线性Breit-Wheeler正负电子对产生过程（图片由论文课题组提供）

相对论自旋极化正电子在材料物理、核物理、高能物理以及实验室天体物理等领域具有重要的应用价值。其传统制备方法在一定程度上存在束流密度和效率的限制。近年来，随着超短超强激光技术的飞速发展，实验上已经实现了峰值光强大于10²³W/cm²的超短超强激光脉冲。利用这样的激光与物质相互作用产生自旋极化正电子成为了目前国际前沿的热点研究课题之一。但是这些方案要求激光脉冲与电子束或伽马射线束实现精准时空同步，实验难度较大。此外，这些方案中正电子源的极化度只有约30%-40%，而相关高能物理实验往往需要极化度大于60%的正电子源。

针对上述关键科学问题，栗建兴教授团队利用自主开发的自旋分辨激光等离子体相互作用模拟程序SLIPs进行仿真模拟，提出了通过单发次超短超强激光脉冲辐照斜置箔靶产生高密度、高极化度正电子源方案。此外，通过改变驱动激光的偏振方向，作为中间产物的伽马光子的偏振可以被操控，进而极大地提高正电子源的极化度。基于此方案，数值上利用峰值光强为10²³W/cm²量级的超强超短激光脉冲可以产生平均自旋极化度高达70%以上的高密度（约10¹⁸cm^-3）自旋极化正电子源。

该研究将为产生高能高极化度正电子源提供一种高效的全光研究手段，并有望应用于模拟宇宙环境、寻找超对称粒子、验证标准模型及寻找超出标准模型新物理等实验。

相关论文信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.175101