近日，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。
（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
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。其传统制备方法主要有两种：一种是高能正电子在存储环的定向磁场中自发辐射极化，另外一种是圆偏振伽马光辐照高原子序数的靶材通过Bethe-Heitler过程产生自旋极化正电子。这些传统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。例如，通过超强激光与电子束或伽马射线束对撞产生极化正电子源等等，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。在该方案中，靶电子首先被驱动激光电离并加速到超相对论能量；随后，高能电子与反射激光发生非线性康普顿散射，产生大量偏振伽马光子；最后，这些偏振伽马光子通过非线性Breit-Wheeler过程产生自旋极化正负电子对。当箔靶斜置角度合适时，在箔靶前表面附近会产生超强的定向准静态磁场，并且该磁场将主导正电子产生过程，使正电子的自旋平行于该磁场方向。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。
该成果以“单发超强激光与箔靶相互作用产生高密度高极化度正电子源”（Generation of high-density high-polarization positrons via single-shot strong laser-foil interaction）为题，于2023年10月24日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上在线发表，并被选为编辑推荐（Editors’ Suggestion）。西安交通大学物理学院博士生薛坤为论文第一作者，弯峰副教授、栗建兴教授、中国原子能科学研究院核物理所吕冲副研究员为论文共同通讯作者。此外，栗建兴教授团队隶属的激光与粒子束科学技术研究所徐忠锋教授、赵永涛教授等也深入参与本工作。
该研究工作得到了国家自然科学基金委、中物院激光聚变研究中心、高功率激光物理重点实验室、陕西基础（数学、物理）研究院、中国原子能院以及中央高校基本科研业务费等项目经费支持。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.175101
