近日，浙江大學物理學院朱興龍研究員與上海交大盛政明教授、人民大學王偉民教授等人合作在《Physical Review Letters》上發表題為“Dense polarized positrons from beam-solid interaction”的研究成果。該研究報道了強場量子電動力學(QED)研究方面的最新進展，在國際上首次發現了通過電子束直接驅動固體靶高效激發多光子Breit-Wheeler(BW)過程以及由此產生稠密極化正電子束的物理現象，揭示了QED場強下束靶相互作用新機制，為高能極化正電子源的發展及應用研究奠定了基礎。
高能正電子產生不僅是強場QED物理中最重要的過程之一，而且在諸多研究領域中起著至關重要的作用。特別是，當高能正電子束攜帶高自旋極化度時，其可以應用于探索一些基本的物理問題，例如尋找超標準模型新物理、探測核子結構以及理解一些極端的天體物理現象等。盡管高密度高能量的極化正電子可能廣泛地存在于一些高能天體物理環境中，但是它們很難在實驗室中獲得。研究團隊在國際上首次發現了相對論非極化電子束與固體結構靶相互作用產生稠密極化GeV正電子的全新物理方案。電子束首先經過一個小角度的空心錐型靶(充當聚焦器)誘導強烈的磁聚焦，使其密度提高約兩個數量級;電子束被聚焦到近固體密度范疇，這對觸發強場QED過程是至關重要的，如此高密度電子束是當代加速器或其他技術方法所不能直接實現的。隨后，聚焦的高密度電子束直接入射到一個固體靶表面(充當轉換器)激發多光子BW過程產生稠密正電子。
(a)物理方案原理圖，包括電子束聚焦和正電子產生 (b)稠密極化正電子產生機制圖
當高密度電子束撞擊到固體靶表面時，其將引起超強的等離子體電子回流，從而在靶表面產生非對稱強磁場。在此強磁場中電子束將發生進一步聚焦作用，同時將靶內的磁場強度進一步放大到兆特斯拉以上。相對論電子在此高強度準靜態磁場作用下可以有效觸發多光子BW過程，產生大量高能稠密正電子。另一方面，該磁場在等離子體內與真空中是不對稱的，產生的正電子主要位于靶內側，其經歷著單極強磁場，通過輻射自旋翻轉效應獲得高極化度。此外，由于洛倫茲力的作用，在靶內產生的正電子將沿著-y方向偏離，而在靶外產生的正電子將沿著+y方向偏離。最終，產生兩團自旋方向相反的高極化稠密GeV正電子束。計算結果表明，獲得的正電子能量轉化效率達到108/J，驅動電子與正電子的產率比達到0.3e+/e-，這是目前其他方法所難以達到的。這得益于驅動束激發強作用場的同時，其自身始終處于最強場區域，直至能量耗盡為止，是一種自持的高效作用機制。與之相比，在高強度激光作用構型中，往往取決于激光脈寬(即約為10fs尺度)，產生的極化正電子能量轉化效率一般不超過104/J。因此，該研究是目前產生稠密極化正電子最高效的方法。
該工作首次報道了一種高效、簡潔的方法，在不采用高強度激光的情況下，通過高能電子束驅動固體靶直接激發多光子BW過程并產生高極化稠密正電子束，揭示了QED場強下新的束靶作用機制。獲得的正電子束電量可達納庫級、平均極化度高達40%以上。電子束在靶表面誘導的準靜態強磁場具有天然不對稱性，由此引起的正電子自旋極化機制是穩健的。研究表明進一步增加驅動束電量或能量，可以產生更多的極化正電子。該研究為高能極化正電子源的產生和應用研究提供了新途徑。
