Positron Generation and Acceleration in a Self-Organized Photon Collider Enabled by an Ultraintense Laser Pulse

物理 正电子 对撞机 电子 消灭 光子 加速度 激光器 原子物理学 等离子体 核物理学 等离子体加速 反物质 直线粒子加速器 成对生产 梁(结构) 光学 量子力学
作者
Katsuhisa Sugimoto,Yingtian He,N. Iwata,I-Lin Yeh,Kavin Tangtartharakul,Alexey Arefiev,Y. Sentoku
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:131 (6)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.131.065102
摘要

We discovered a simple regime where a near-critical plasma irradiated by a laser of experimentally available intensity can self-organize to produce positrons and accelerate them to ultrarelativistic energies. The laser pulse piles up electrons at its leading edge, producing a strong longitudinal plasma electric field. The field creates a moving gamma-ray collider that generates positrons via the linear Breit-Wheeler process---annihilation of two gamma rays into an electron-positron pair. At the same time, the plasma field, rather than the laser, serves as an accelerator for the positrons. The discovery of positron acceleration was enabled by a first-of-its-kind kinetic simulation that generates pairs via photon-photon collisions. Using available laser intensities of ${10}^{22}\text{ }\text{ }\mathrm{W}/{\mathrm{cm}}^{2}$, the discovered regime can generate a GeV positron beam with a divergence angle of around 10\ifmmode^\circ\else\textdegree\fi{} and a total charge of 0.1 pC. The result paves the way to experimental observation of the linear Breit-Wheeler process and to applications requiring positron beams.
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