等離子體加速極化粒子束

　　【儀表網 研發快訊】近日，物理學綜述期刊 Reports on Progress in Physics 刊載了題為《Plasma acceleration of polarized particle beams》的綜合性綜述論文。該論文首次對蓬勃興起的“激光等離子體加速極化粒子束”這一前沿領域進行了全面系統的梳理與總結，提煉了奠定該領域發展的核心物理理論、關鍵實驗技術與多種創新加速方案，還勾勒出未來十年的發展路線圖。
 

　　綜述指出，將自旋極化的概念與超高梯度的等離子體加速技術相結合，旨在為高能物理、核物理與聚變能源等領域提供一個潛在的有效新工具。然而，激光等離子體環境中的極端、瞬變電磁場，對粒子自旋的保持構成了嚴峻挑戰。論文系統地闡述了在該環境中支配自旋演化的三大核心物理效應：自旋進動、自旋對粒子軌跡的影響，以及輻射極化。文章指出，在現有大多數激光等離子體加速器參數下，由托馬斯-巴格曼-米歇爾-特萊迪(Thomas–Bargmann–Michel–Telegdi)方程描述的自旋進動效應是導致退極化的主導機制；同時文章也給出關鍵退極化時間尺度，為后續所有旨在維持極化的實驗設計提供了至關重要的理論基礎。
 

　　綜述還總結了為實現極化加速所發展的各類關鍵技術。在靶材技術方面，論文區分了“預極化靶”與“原位極化”兩大技術路徑。前者如已成功實現激光加速的極化³He氣體靶，證明了極化在加速后得以保持的原理可行性；后者如利用多步激光操控自旋極化氫氣或特定原子(如氙、鐿)的方案，則展現了無需維持磁場、可達更高密度的潛力，代表了未來的發展方向。
 

　　對于不同種類的粒子，文章闡述了以下要點：
 

　　1.極化電子：通過激光尾波場加速，結合拉蓋爾-高斯激光模式、雙脈沖碰撞注入等創新注入技術，已能在數值模擬中實現80%以上極化度的高品質電子束。其中一個關鍵共識是：退極化主要發生在注入階段，而非后續的高能加速階段。
 

　　2.極化正電子：由于其難以直接制備，研究聚焦于通過非線性Breit-Wheeler過程等轉化機制，利用極化電子束或極化伽馬光子來間接產生，多項理論方案預測其極化度可達60%左右。
 

　　3.極化離子：磁渦旋加速與無碰撞激波加速被認為是兩種最具前景的機制。前者適合產生高電荷量束流，后者則在保持超高極化度方面表現優異。
 

　　4.極化伽馬光子：作為非線性Compton散射的產物，其產生技術已趨于成熟。同時，文章也特別強調了其潛在應用價值，即利用伽馬光子的偏振極化特性作為“被動診斷”工具，來反演等離子體內部復雜的瞬態電磁場與動力學過程。
 

　　此外，文章指出理論研究和數值模擬已取得系列進展，但實驗驗證仍是當前最緊迫的任務，尤其是在極化電子和正電子產生和加速方面。同時，開發能夠適應激光等離子體束流超短脈沖、超高流強特性的專用極化測量技術，是推動該領域發展的關鍵支撐。
 

　　作為對未來的展望，綜述提到：激光等離子體加速器所能提供的飛秒級脈沖、千安培級峰值流強的極化束，其性能在多方面具有潛力優勢，如作為下一代高亮度粒子對撞機、自由電子激光器的優質注入器，或將直接應用于極化燃料聚變、時間分辨的核物理探測等全新實驗場景。隨著ELI(歐洲極端光學裝置)、SULF(上海超強激光裝置)等下一代激光設備陸續建成，極化粒子束的等離子體加速研究將從原理探索階段，逐步過渡到實驗性能優化與實際應用階段，為科學家探索微觀物質結構和宇宙極端環境開啟新的窗口。
 

　　本綜述工作由 Lars Reichwein(德國于利希研究中心),弓正(中國科學院理論物理研究所)、鄭川(德國杜塞爾多夫大學)、吉亮亮(中國科學院上海光學精密機械研究所)、Alexander Pukhov(德國杜塞爾多夫大學)和Markus Buescher(德國于利希研究中心)六位研究人員合作完成，文章于11月14日在IOP期刊網站在線發表。相關工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院先導項目等的支持。