利用非线性康普顿散射产生超短偏振伽玛射线脉冲和自旋极化电子束的机理研究

Recent rapid advances in ultra-short ultra-intense laser techniques have enabled the strong-field QED problem being one of the worldwide hot research topics, e.g., the generation of Gamma-ray pulse sources and the detection of spin effects. Meanwhile, polarized Gamma-ray pulses and spin-polarized electron beams have significant applications in nuclear physics, high-energy physics, atomic and molecular physics and material physics. From these two points of view, in this project we would inventively investigate the generation of brilliant ultra-short polarized Gamma-ray pulses and highly spin-polarized electron beams in femtosecond scale via nonlinear Compton scattering in the interaction of an ultra-short ultra-intense laser pulse with a counter-propagating relativistic electron beam. And, we would intensively study the fundamental QED problems of the photon-polarization evolution and the electron-spin precession, in particular, simulating the spin-flip effects induced by the radiation via employing the Monte-Carlo stochasticity method, calculating the spin effects on the radiation probability, considering the coupling effects among the spins of the electron, the driving photons and the radiated photon and the vacuum-polarization effects. Furthermore, we would comprehensively investigate the roles of the laser and electron-beam parameters in the determination of the polarization of Gamma-ray pulses and the spin polarization of electron beams, and conclude the optimal parameters. Our group has already achieved substantial excellent results in the topics of strong-field QED, possesses solid research foundation, and, therefore, would very hopefully accomplish the expected research objectives and acquire breakthrough results.

随着超短超强激光技术的快速发展，强场QED问题已经成为了国际研究热点之一，例如，伽玛射线脉冲源制备、自旋作用探测等。同时，偏振伽玛射线脉冲和自旋极化电子束在核物理、高能物理、原子分子物理和材料物理等领域具有重要的应用价值。基于这两方面考虑，本项目将开创性地研究，在超短超强激光脉冲与相对论电子束对撞机制中，利用非线性康普顿散射在飞秒量级产生高亮度超短偏振伽玛射线脉冲和高度自旋极化电子束。深入研究光子偏振演化和电子自旋进动等基础QED问题，具体来讲，采用蒙特卡洛随机方法模拟辐射导致的自旋反转，计算自旋作用对辐射概率的影响，考虑电子、驱使光子和辐射光子三者自旋之间的耦合以及真空极化效应等。系统研究激光和电子束参数对伽玛射线脉冲偏振和电子束自旋极化的影响，归纳出最优化参数匹配。本项目申请团队在强场QED领域已经取得了丰硕的研究成果，研究基础扎实，有望在本项目支持下完成预期研究目标并取得突破性成果。

近年来，随着强激光技术的快速发展，实验上已经产生了峰值功率达到拍瓦量级、峰值光强达到10^22 W/cm^2量级、脉冲宽度达到飞秒量级的超短超强激光脉冲，并基于此在实验室条件下实现了超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度等综合性极端物理条件，从而推动强场QED（Quantum Electrodynamics,量子电动力学）研究成为了当前国际科技重要前沿发展和国际间科技竞争重点领域之一。当前在强场QED研究方面依然存在诸多问题亟待解决，包括量子辐射效应、真空极化效应、粒子自旋极化、极端条件下新粒子产生通道等基础理论的发展和完善，以及新型伽马光源、高能极化粒子源、粒子极化度探测等实际应用的实现和优化。在此研究背景下，本项目围绕“强场中粒子辐射引起的能量和角动量演化、自旋随机反转和信息传递”等QED过程中的关键科学问题，以“强激光驱动的非线性康普顿散射和多光子Breit-Wheeler对产生”为研究主线，在相关理论方法发展、物理机理揭示和实验方案设计等方面取得了一系列研究成果：提出了利用电子动量谱和辐射光谱表征量子辐射效应的可行方法，揭示了量子辐射机制适用条件和作用机理，提供了量子辐射效应实验探测的解决方案；发展了包含粒子自旋的非线性康普顿散射和多光子Breit-Wheeler正负电子对产生理论，揭示了强激光场中辐射引起的粒子自旋随机反转和信息传递机理，提出了基于强激光的高能极化正负电子束和偏振高亮度伽马光源制备方法，提供了相关核物理、高能物理以及实验室天体物理实验对高能极化粒子源迫切需求的全光解决方案。基于以上研究成果，在本项目的资助下，本课题组在本领域国际重要学术期刊发表代表性论文20篇，包括Physical Review Letters 2篇，在本领域国际重要学术会议做邀请报告十余次。