等離子體加速極化粒子束

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學(xué)綜述期刊 Reports on Progress in Physics 刊載了題為《Plasma acceleration of polarized particle beams》的綜合性綜述論文。該論文首次對蓬勃興起的“激光等離子體加速極化粒子束”這一前沿領(lǐng)域進(jìn)行了全面系統(tǒng)的梳理與總結(jié)，提煉了奠定該領(lǐng)域發(fā)展的核心物理理論、關(guān)鍵實驗技術(shù)與多種創(chuàng)新加速方案，還勾勒出未來十年的發(fā)展路線圖。
 

　　綜述指出，將自旋極化的概念與超高梯度的等離子體加速技術(shù)相結(jié)合，旨在為高能物理、核物理與聚變能源等領(lǐng)域提供一個潛在的有效新工具。然而，激光等離子體環(huán)境中的極端、瞬變電磁場，對粒子自旋的保持構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。論文系統(tǒng)地闡述了在該環(huán)境中支配自旋演化的三大核心物理效應(yīng)：自旋進(jìn)動、自旋對粒子軌跡的影響，以及輻射極化。文章指出，在現(xiàn)有大多數(shù)激光等離子體加速器參數(shù)下，由托馬斯-巴格曼-米歇爾-特萊迪(Thomas–Bargmann–Michel–Telegdi)方程描述的自旋進(jìn)動效應(yīng)是導(dǎo)致退極化的主導(dǎo)機制；同時文章也給出關(guān)鍵退極化時間尺度，為后續(xù)所有旨在維持極化的實驗設(shè)計提供了至關(guān)重要的理論基礎(chǔ)。
 

　　綜述還總結(jié)了為實現(xiàn)極化加速所發(fā)展的各類關(guān)鍵技術(shù)。在靶材技術(shù)方面，論文區(qū)分了“預(yù)極化靶”與“原位極化”兩大技術(shù)路徑。前者如已成功實現(xiàn)激光加速的極化³He氣體靶，證明了極化在加速后得以保持的原理可行性；后者如利用多步激光操控自旋極化氫氣或特定原子(如氙、鐿)的方案，則展現(xiàn)了無需維持磁場、可達(dá)更高密度的潛力，代表了未來的發(fā)展方向。
 

　　對于不同種類的粒子，文章闡述了以下要點：
 

　　1.極化電子：通過激光尾波場加速，結(jié)合拉蓋爾-高斯激光模式、雙脈沖碰撞注入等創(chuàng)新注入技術(shù)，已能在數(shù)值模擬中實現(xiàn)80%以上極化度的高品質(zhì)電子束。其中一個關(guān)鍵共識是：退極化主要發(fā)生在注入階段，而非后續(xù)的高能加速階段。
 

　　2.極化正電子：由于其難以直接制備，研究聚焦于通過非線性Breit-Wheeler過程等轉(zhuǎn)化機制，利用極化電子束或極化伽馬光子來間接產(chǎn)生，多項理論方案預(yù)測其極化度可達(dá)60%左右。
 

　　3.極化離子：磁渦旋加速與無碰撞激波加速被認(rèn)為是兩種最具前景的機制。前者適合產(chǎn)生高電荷量束流，后者則在保持超高極化度方面表現(xiàn)優(yōu)異。
 

　　4.極化伽馬光子：作為非線性Compton散射的產(chǎn)物，其產(chǎn)生技術(shù)已趨于成熟。同時，文章也特別強調(diào)了其潛在應(yīng)用價值，即利用伽馬光子的偏振極化特性作為“被動診斷”工具，來反演等離子體內(nèi)部復(fù)雜的瞬態(tài)電磁場與動力學(xué)過程。
 

　　此外，文章指出理論研究和數(shù)值模擬已取得系列進(jìn)展，但實驗驗證仍是當(dāng)前最緊迫的任務(wù)，尤其是在極化電子和正電子產(chǎn)生和加速方面。同時，開發(fā)能夠適應(yīng)激光等離子體束流超短脈沖、超高流強特性的專用極化測量技術(shù)，是推動該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵支撐。
 

　　作為對未來的展望，綜述提到：激光等離子體加速器所能提供的飛秒級脈沖、千安培級峰值流強的極化束，其性能在多方面具有潛力優(yōu)勢，如作為下一代高亮度粒子對撞機、自由電子激光器的優(yōu)質(zhì)注入器，或?qū)⒅苯討?yīng)用于極化燃料聚變、時間分辨的核物理探測等全新實驗場景。隨著ELI(歐洲極端光學(xué)裝置)、SULF(上海超強激光裝置)等下一代激光設(shè)備陸續(xù)建成，極化粒子束的等離子體加速研究將從原理探索階段，逐步過渡到實驗性能優(yōu)化與實際應(yīng)用階段，為科學(xué)家探索微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙極端環(huán)境開啟新的窗口。
 

　　本綜述工作由 Lars Reichwein(德國于利希研究中心),弓正(中國科學(xué)院理論物理研究所)、鄭川(德國杜塞爾多夫大學(xué))、吉亮亮(中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所)、Alexander Pukhov(德國杜塞爾多夫大學(xué))和Markus Buescher(德國于利希研究中心)六位研究人員合作完成，文章于11月14日在IOP期刊網(wǎng)站在線發(fā)表。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)項目等的支持。