英国兰卡斯特大学获EPSRC资助研究强激光脉冲中的反物质产生

英国兰卡斯特大学和科克罗夫特研究所讲师克里斯托弗·阿兰近日获得英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)新研究员奖三年期资助，将开展高功率激光极强电磁场中电子—正电子对产生研究。

该研究聚焦强激光脉冲条件下的物质—反物质产生过程。类似相互作用被认为存在于宇宙极端环境中，例如脉冲星及黑洞吸积盘附近。此前，人们仅在斯坦福大学和欧洲核子研究中心(CERN)等大型粒子加速器设施中，对相关相互作用进行过测量，但当时所使用的电场和磁场强度远弱于当前高功率激光可达到的强场条件。

研究所涉及的物理基础与爱因斯坦质能方程E=mc²密切相关。该方程通常用于解释核聚变和核裂变中质量向能量的转化，而在强激光实验中，科研人员试图反向利用这一关系：将足够高强度的激光聚焦到高能伽马射线上，使能量转化为质量，从而从光场中产生物质—反物质对。

在非线性布雷特—惠勒过程中，多个光子相互作用可产生电子—正电子对。随着世界最强激光器的光束强度不断提升，激光场已达到数百个光子可被压缩到单个电子半径范围内的水平。在这种条件下，光子相互作用进入所谓“非微扰”状态，已难以再用单次碰撞模型来描述。

阿兰表示，强激光器正在揭示新的物理现象，直接测量“光如何产生物质”具有重要意义。由于电磁场极强，研究团队将把这一过程视为量子隧穿过程进行研究，即真空中的“虚拟”电子—正电子对在强场作用下转化为可测量的真实电子和正电子。研究人员认为，这可能对应宇宙最极端环境中正在发生的过程，而EPSRC资助将为在地球实验室中测量这些过程提供条件。

 

物质-反物质产生实验示意图，展示了如何利用两束激光产生伽马射线和电子-正电子对。右图为实际实验，视角为驱动激光器。

按照研究方案，团队将使用两束激光开展实验：一束激光用于在等离子体中通过激光尾场加速产生高能电子;另一束激光则被聚焦到远小于头发丝宽度的尺度，以获得尽可能高的强度。通过让电子束与第二束激光脉冲发生碰撞，实验有望产生高能伽马射线以及电子—正电子对。

研究团队将通过测量电子束、伽马射线和正电子信号，进一步理解强场条件下的量子隧穿过程，并为研究宇宙极端环境中的物理机制提供实验依据。围绕相关实验设计，特别是高功率激光实验中时间控制和束流对准等关键挑战，阿兰及合作者的研究成果已发表在《新物理学杂志》上。