利用超强激光脉冲与等离子体相互作用产生相对论自旋极化正电子束的机理研究

Relativistic spin-polarized positron beams are widely used in engineering and fundamental scientific researches, such as molecular structure imaging, generation of polarized gamma beams, verification of parity non-conservation and standard models, and exploration of new physics beyond the standard model. The generation methods are mainly based on the beta decay of radiation sources, the Sokolov-Ternov effect of synchrotron radiation and the Bethe-Heitler scattering process. Due to some technical problems, the polarization efficiency and beam intensity of positron beams from these methods are relatively low. With the rapid development of intense laser technology, ultraintense laser facilities with power up to petawatt scale to several hundred petawatt are alreay under construction or in schedule around the world. These laser facilities have the ability to generate relativistic positrons with critical density when interacting with plasmas. Therefore, it is possible to generate relativistic spin-polarized positron beams via the interaction between intense laser and plasma. This project intends to develop and improve the theory of electron-positron spin dynamics in the interaction of intense laser with plasma, and develop the related QED particle simulation code. The global optimization method will be used to systematically study the effects of laser and plasma parameters on the yield, spin polarization degree and energy of positrons. A feasible scheme will be proposed to use the intense laser pulses and plasmas produce high brightness, high energy and highly spin polarized positron beams.

相对论自旋极化正电子束广泛应用于分子结构成像、偏振伽玛光束制备、宇称不守恒和标准模型验证以及探索超出标准模型的新物理等工程技术和基础科学研究。其制备方法主要基于天然放射源的β衰变、同步辐射的Sokolov-Ternov效应以及Bethe-Heitler散射。由于诸多技术问题，这些方法得到的正电子束的极化效率和束流强度都相对较低。随着强激光技术的快速发展，国际上已经建造或正在筹建数拍瓦到百拍瓦量级的超强激光装置，其与等离子体相互作用可产生临界密度的相对论正电子。因此，利用强激光与等离子体相互作用产生相对论自旋极化正电子束成为了可能。本项目拟发展和完善强激光脉冲与等离子体相互作用中正负电子自旋动力学理论，并开发相关的QED粒子模拟仿真程序；利用全局优化方法系统研究激光和等离子体参数对正电子产额、自旋极化率以及能量的影响，提出利用强激光脉冲产生高亮度高能高度自旋极化正电子束的可行性方案。

相对论自旋极化正电子束广泛应用于分子结构成像、偏振伽玛光束制备、宇称不守恒和标准模型验证以及探索超出标准模型的新物理等工程技术和基础科学研究。在该项目的支持下，课题组开展了包含正负电子自旋、光子偏振的强激光与等离子体相互作用物理建模，开发了大型并行自旋分辨的QED粒子模拟数值仿真程序SLIPs-v1.0；研究了强激光、等离子体、电子束参数（如激光偏振、强度、脉冲持续时间等，等离子体密度、电子束能量等）与末态正负电子、伽马光子的极化关联机制；研究表明，末态正负电子自旋、光子偏振依赖于散射时空点的电磁场强度以及朝向；进而提出了基于等离子体尾场电子束的极化正负电子束、偏振伽马光束产生方案以及伽马光子偏振度探测方案等；此外，课题组还基于现有理论提出了真空强场QED效应探测方法，且具有一定的实验可行性，相关数据和物理机制正在分析中。上述研究成果对强激光大科学装置（如SULF等）的极化强场物理理论和实验研究具有重要参考意义，同时对于小型化极化粒子源、高能粒子对撞机物理也具有重要的应用价值以及理论借鉴意义。