自旋極化的正電子在高能物理、材料物理和實(shí)驗(yàn)室天體物理等領(lǐng)域具有廣泛的用途。目前，傳統(tǒng)極化正電子源是基于Bethe-Heitler機(jī)制通過(guò)圓偏振伽馬光或縱向極化電子轟擊高Z固體靶實(shí)現(xiàn)的，但是單發(fā)的正電子產(chǎn)額只有飛庫(kù)量級(jí)（10^-15庫(kù)侖），難以滿足未來(lái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)所需的納庫(kù)（10^-9庫(kù)侖）以及極化正負(fù)電子等離子體物理研究中的要求。如何獲得大電量和高密度的極化正電子仍然是巨大的挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室L05組博士生宋懷航、研究員李玉同和中國(guó)人民大學(xué)物理系教授王偉民對(duì)激光等離子體物理中強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）自旋極化效應(yīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的理論模擬研究【Physical Review A 100, 033407 (2019)】，并發(fā)展了國(guó)際上首個(gè)包含電子/正電子自旋極化和光子偏振效應(yīng)的QED-PIC程序（PIC：particle-in-cell，粒子模擬）【New Journal of Physics 23, 075005 (2021)】。最近，該團(tuán)隊(duì)利用該程序?qū)θ绾萎a(chǎn)生高密度的極化正電子源進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用激光固體靶實(shí)驗(yàn)上常用構(gòu)型就可在百拍瓦激光裝置上產(chǎn)生極化率30%、電量30納庫(kù)的正電子束，其角通量可達(dá)到10¹²sr^-1，在特定能量段上收集的正電子極化率可達(dá)到60% 【Physical Review Letters 129, 035001 (2022)】。由于該方案采用了實(shí)驗(yàn)中常用的構(gòu)型（即線偏振激光與具有預(yù)等離子體的固體靶相互作用），而不需要特殊的激光和靶設(shè)計(jì)，所以更具有可行性和實(shí)用性。此外，該工作表明在未來(lái)百拍瓦激光裝置上的激光固體靶實(shí)驗(yàn)中，將不可避免地產(chǎn)生大量的極化正電子和電子，所以在此情形下必須考慮電子/正電子的自旋和光子偏振效應(yīng)的影響。

在強(qiáng)場(chǎng)QED領(lǐng)域內(nèi)，受外場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的高能電子會(huì)通過(guò)非線性Compton散射輻射高能伽馬光子，而伽馬光子又可以通過(guò)非線性Breit-Wheeler過(guò)程高效地湮滅為正負(fù)電子對(duì)。此前研究表明，如果采用非對(duì)稱強(qiáng)激光（橢圓偏振激光或雙色線偏振激光）和高能電子束對(duì)撞，產(chǎn)生的正電子將是自旋極化的。但是激光尾場(chǎng)加速獲得的GeV電子束的電量只有數(shù)十皮庫(kù)（10^-12庫(kù)侖），這就導(dǎo)致產(chǎn)生的正電子數(shù)目低于皮庫(kù)量級(jí)。此外，受限于光學(xué)器件較低的損傷閾值，構(gòu)造超強(qiáng)的非對(duì)稱激光場(chǎng)也是十分困難的。另一方面，利用十拍瓦、百拍瓦激光與等離子體相互作用可以產(chǎn)生高密度的正電子，然而這些正電子極化性質(zhì)仍然不清楚，因?yàn)槟壳皬V泛使用、對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行研究的QED-PIC程序忽略了自旋極化效應(yīng)。為了弄清這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的YUNIC QED-PIC程序?qū)Π倥耐吡考?jí)的激光和固體靶作用進(jìn)行了研究，其中采用了常規(guī)的線偏振激光脈沖（激光場(chǎng)初始對(duì)稱）以及靶的前表面有激光預(yù)脈沖產(chǎn)生的微米標(biāo)長(zhǎng)的預(yù)等離子體。模擬結(jié)果表明，一旦激光強(qiáng)度超過(guò)10²⁴W/cm²時(shí)，正電子就會(huì)出現(xiàn)明顯的極化，并且此極化依賴于偏轉(zhuǎn)角度。對(duì)于偏轉(zhuǎn)角大于20度的正電子，其極化率可以達(dá)到30%，并且可以通過(guò)篩選特定能量的正電子進(jìn)一步將極化率提升到60%（圖1）。正電子和電子的極化可歸結(jié)為它們產(chǎn)生和脫離激光作用區(qū)域時(shí)感受到了非對(duì)稱的激光場(chǎng)。雖然激光場(chǎng)在入射時(shí)是對(duì)稱的，但是由于激光場(chǎng)在高密度靶前表面的等離子體趨膚層附近被強(qiáng)烈地吸收和反射，同時(shí)正電子和電子可以自由地通過(guò)此趨膚層。因而，正電子和電子只經(jīng)歷了部分的激光場(chǎng)就進(jìn)入到高密等離子體內(nèi)，這導(dǎo)致了它們?cè)谮吥w層附近經(jīng)歷了高度不對(duì)稱的亞周期激光場(chǎng)，從而獲得了具有角度依賴的自旋極化。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，由于激光預(yù)脈沖是無(wú)法避免的，該工作的模擬結(jié)果表明它在靶前產(chǎn)生的預(yù)等離子體會(huì)對(duì)正電子的極化和產(chǎn)額都具有重要的作用（圖2）。該工作表明對(duì)于未來(lái)的100 PW超強(qiáng)激光與固體靶相互作用，極化正電子將普遍存在。這些極化的高密度正電子束可以用于研究極化正負(fù)等離子體物理，也可以經(jīng)過(guò)后續(xù)加速后應(yīng)用于未來(lái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。

圖1. (a) 激光固體靶相互作用產(chǎn)生極化正電子的方案：一束線偏振激光入射到一個(gè)在靶前具有微米密度標(biāo)長(zhǎng)的固體靶上。激光作用結(jié)束后，(b) 正電子數(shù)密度和 (c) 極化率關(guān)于橫向偏轉(zhuǎn)角和正電子能量的二維分布，以及關(guān)于橫向偏轉(zhuǎn)角的一維分布。

圖2. 正電子產(chǎn)額和極化率隨 (a) 預(yù)等離子體密度標(biāo)長(zhǎng)和 (b) 激光場(chǎng)強(qiáng)的變化。

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Physical Review Letters上。相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.035001