正電子是電子的反物質(zhì)，它們有相同的質(zhì)量，但卻有相反的電荷。當(dāng)正電子和電子相遇時(shí)，它們會(huì)相互湮滅，釋放出高能的光子，這個(gè)過程叫做正負(fù)電子對(duì)湮滅。但是，這個(gè)過程也可以反過來進(jìn)行。如果兩個(gè)高能的光子相撞，它們也可以產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子。這個(gè)過程叫做線性布賴特-惠勒過程，它是光子和光子之間最基本的相互作用之一。

你可能會(huì)問，為什么我們要關(guān)心這個(gè)過程呢？有兩個(gè)主要的原因。第一個(gè)原因是，這個(gè)過程是量子電動(dòng)力學(xué)中最簡單的過程之一，它可以檢驗(yàn)我們對(duì)量子場論的理解。第二個(gè)原因是，這個(gè)過程可以提供一種新的方法來產(chǎn)生和加速正電子束。正電子在自然界很少存在，但在科學(xué)和工程中有很多應(yīng)用，比如正電子發(fā)射斷層掃描或者正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。

那么，我們?cè)趺磳?shí)現(xiàn)這個(gè)過程呢？我們需要兩個(gè)條件：第一個(gè)條件是，我們需要有足夠高能的光子。第二個(gè)條件是，我們需要有足夠密集的光子。換句話說，我們需要一個(gè)光子對(duì)撞機(jī)。但是，要建造一個(gè)光子對(duì)撞機(jī)并不容易。傳統(tǒng)的方法是利用高能電子束和強(qiáng)磁場來產(chǎn)生高能光子，并讓它們?cè)谝粋€(gè)小空間內(nèi)相遇。但是，這種方法需要非常大型和昂貴的設(shè)備，并且效率很低。

那么，有沒有更好的方法呢？最近一篇發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的論文介紹了一種簡單而有效的方案，即利用超強(qiáng)激光脈沖與接近臨界密度等離子體相互作用，在其中形成一個(gè)自組織的光子對(duì)撞機(jī)，從而產(chǎn)生和加速正電子。

等離子體是由帶電粒子（如電子、離子、原子核等）組成的第四態(tài)物質(zhì)。等離子體中存在著復(fù)雜而豐富的集體行為和波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)激光脈沖與等離子體相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的非線性效應(yīng)和粒子加速機(jī)制。等離子體有一個(gè)重要的參數(shù)叫做臨界密度，是指當(dāng)激光入射到等離子體時(shí)，激光無法穿透等離子體的密度。臨界密度的數(shù)值取決于激光脈沖的波長，一般來說，波長越短，臨界密度越高。

當(dāng)激光入射到近臨界等離子體時(shí)，激光會(huì)在等離子體表面形成一個(gè)強(qiáng)烈的電場，將電子推向激光前沿。這樣就形成了一個(gè)高能的同步輻射源，可以發(fā)射出高能的光子。這些高能的光子可以在激光前沿相互碰撞，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。同時(shí)，由于等離子體表面的電場，這些正電子會(huì)被加速到超相對(duì)論能量。這樣就實(shí)現(xiàn)了用超強(qiáng)激光脈沖產(chǎn)生和加速正電子的目標(biāo)。接下來，研究人員打算用數(shù)值模擬驗(yàn)證該機(jī)制。

不過，這個(gè)過程雖然非常簡單，但是卻很難用數(shù)值模擬來驗(yàn)證。因?yàn)橐M線性布賴特-惠勒過程，你需要同時(shí)考慮光子和粒子之間的相互作用，這需要很大的計(jì)算資源和時(shí)間。不過，他們用一種新穎的方法來模擬這個(gè)過程，并且得到了一些有趣的結(jié)果。

他們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)可達(dá)到的激光強(qiáng)度下（10^22 W/cm^2），用近臨界等離子體作為靶標(biāo)可以產(chǎn)生一個(gè)具有幾十GeV能量、0.1 pC總電荷、10°發(fā)散角的正電子束。這個(gè)正電子束主要來自于線性布賴特-惠勒過程，而不是其他可能的過程，比如貝特-海特勒過程，即高能光子與原子核碰撞產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過程。

這個(gè)模擬結(jié)果為將來實(shí)驗(yàn)觀察線性布賴特-惠勒過程和應(yīng)用正電子束提供了一種可行的途徑。

審核編輯：劉清