《不同强外场下真空产生正反粒子对问题研究》4900字（论文）

不同强外场下真空产生正反粒子对问题研究目录TOC\o"1-3"\h\u126401引言 1294322正文 28842.1真空对产生 2291572.2实验仪器 3101983总结 6摘要随着中国激光信息技术的快速发展，实验室中所能取得的电磁场强度得到了一个极大的提高，使得强外场下真空中产生正反粒子对问题再次成为研究热点。对不同外场形状下粒子产生问题的理论研究，不仅可以加深人们对粒子产生过程的理解，而且可以使人们在量子领域进行更深入的探索，也有助于指导实验验证真空的产生。本文的主要内容是对不同强外场下真空产生正反粒子对问题的研究的概述。主要讲述：真空对粒子产生问题的由来与目前主要研究方向。关键词：强场物理，真空产生正反粒子对，动力学辅助的Schwinger机制，多缝干涉效应多光子对产生1引言如今，不同激光强度对应着不同物理相互作用领域，如图1所示。当激光强度小于，激光场所提供的电场强度不足以直接离原子内电子，此时研究激光与原子分子的相互作用，例如：隧穿电离、多散电离和高次谐波产生等；当激光强度为-，激光场可以把原子内的电子直接电离，从而形成等离子体，此时研究激光与等离子体相互作用，例如：电子离子加速、高能X射线产生和惯性约束聚变等；激光强度大于时，研究领域拓展到了相对论区域，电子在一个激光周期内达到相对论速度，此时电子所受洛伦力中的磁场部分的大小和电场部分的大小处于同一量级，此时电子运动变得高度非线性引起了大量新物理现象，例如：相对论自聚集，激光尾场加速，强激光场中的Compton散射等。其中，强外场中真空衰变产生的正负粒子对问题已成为研究热点。图1.不同激光强度对应的不同物理相互作用领域2正文2.1真空对产生为了避免克莱因－高登方程中概率不守恒的问题，狄拉克（Dirac）在假设方程关于时间与空间的微分呈一次关系后得出了有名的Dirac方程。但是狄拉克（Dirac）方程有两个解：正能解和负能解。若负能解是正确存在的，那么一定存在没有被我们观测到的虚粒子。为了解释负能解的存在，Dirac提出：无外场时真空是由完全被负能电子占据的负能带（Diracsea）和空着的正能带所构成，正能带间隙为又因为泡利不相容原理（不可能有两个或更多的费米子处于完全相同的量子状态），所以正能连续态上电子根本无法通过辐射能量跃迁到负能连续态上。之后实验中发现：强场中，可能会发生能级交错，根据量子隧穿效应，负能带中负能粒子有一定概率穿到正能带形成电子，在负能带中，留下一个空穴（即空穴理论中电子的反粒子——正电子）。强场量子电动力学（QED）中对产生有3种方法：①高能光子在强激光场中传播：电子与激光光子间发生非线性康普顿（Compton）散射产生高能γ光子，之后高能γ光子再与激光光子相互作用发生多光子Breit－Wheel过程产生正负子对；②依靠强激光中的库仑场：增大入射粒子质量（如质子或原子核），此时非线性康普顿（Compton）散射过程被抑制，此时激光与原子核的库仑场相互作用产生正负电的对，即多光子Bethe－heisler过程；③两束激光对撞形成驻波场：由于目前激光的空间聚焦尺度远大于正负电子对产生所对应的空间尺度（电子的Compton波长）所以两束激光对撞产生的驻波场可以看作空间均匀随时间变化的电场，该场下主要聚焦于：优化外场构型降低对产生阈值；对强场下对产生的特性的研究等。在计算后得到正负电子对产生率，其对于弱场来说是指数抑制的，同时由一个γ参数：，可知：参数γ<<1时，正负电子对产生率的大小取决于外场强度，与电场频率无关，此时反粒子对主要通过量子隧穿效应产生（能级交错）；参数γ>>1时，已负电子对产生率大小取决于电场频率，此时外场强度较低，隧穿效应被抑制而光子能量较高，主要通过光子吸收过程产生正负粒子对。常用研究方法有半经典近似法与量子动理学方法。半经典近似法中有世界线瞬子技术（为研究常数外场下的非微扰过程提供了一个有效方法）与广义WKB近似（可以精确研究双势垒系统的量子隧穿和垒上散射问题）；量子动理学方法中有量子Vlasov方程（QVE，非常适合用于研究两激光对撞形成的马驻波场下的正负电子对产生问题）与Dirac－Heisenberg－Wigner形式（可以研究不均月含时电场下的真空对产生问题，也可以研究有磁场存在时对产生过程，即可以研究任意形式电磁场下真空对产生问题；对于空间均匀含时电场，它可以化简为量子Vlasov方程）。在不同构型外场下，真空对产生过程中有很多新现象值得去研究。2.2实验仪器1917年，爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’，即在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，可以出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，从此人们便可获得性质和电磁波相似而频率稳定的光源。之后激光技术不断发展完善，我们也得到许多不同的激光，激光强度也被不断提高，图2为激光技术的发展历程。2018年诺贝尔物理学奖授予唐娜斯特里克兰教授和杰拉德穆鲁的发展技术啁啾脉冲放大（CPA)，使更强的激光成为可能。在接下来的几年里，人们试图提高峰值功率和集中强度，以达到实验室内的极端条件。随着q开关的发明，峰值功率最初上升了几个数量级，然后是锁模技术。在雷达系统中也存在一个类似的问题，即需要超出现有电路能力的短的、强大的脉冲。利用色散延迟线，雷达脉冲可以在传输前进行拉伸和放大，然后对反射脉冲进行压缩，避免了放大器电路内的峰值功率。在电信行业，开展了使用棱镜和光栅对来补偿长长度光纤对宽带激光脉冲造成的光谱相位畸变的工作。通过将望远镜放在一对光栅中，马丁内斯提出了一种方法来逆转所赋予的光谱相位的符号，从而创造了一个可以拉伸脉冲，然后精确地压缩它的装置。这些系统被用于沿纤维传播之前的拉伸脉冲，然后压缩它们以减少非线性效应。斯特里克兰德和穆鲁的方法是从一个商业锁模Nd：YAG振荡器获得150ps输出，然后拉伸到300ps，并在1.4公里的光纤中拓宽，结合群速度色散和自相位调制。然后在一个Nd：玻璃再生放大器中放大脉冲，并使用处理光栅对进行压缩，以补偿光纤施加的二阶光谱相位。从最初的CPA论文的结论中可以看出，我们已经证明了我们首先拉伸一个啁啾的光脉冲，然后在压缩前进行放大，高峰功率脉冲就可以实现。如今，我们已经产生了能量为1mJ的2ps的脉冲。图2.激光器的发展在此对部分实验仪器进行介绍。位于美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL,LawrenceLivermoreNationalLaboratory）在高能和超高功率激光设施的发展中发挥了关键和主导作用。世界范围内第一个Petawatt级激光：Nova，专用的前端和真空压缩机用于在440fs脉冲中提供680J,1.5PW｡国家点火设施（NationalIgnitionFacility,NIF）有192个40cm×40cm的光束，最初在一个∼3ns形脉冲3ω，0.6PW（一个真正的Petawatt级激光器本身，在多个光束线中传输），用于间接光束驱动。图3.美国激光实验装置及其相关特性欧洲在超高强度激光器的发展中是关键的，许多系统在国家实验室和大学都在运行。这些系统的发展所必需的许多发展，包括OPCPA，都是在欧洲开创的。法国有一个非常强大的工业基础，它为世界各地的实验室提供组件、子系统，甚至佩塔瓦级的设施。ELI（极端轻型基础设施）是一个分布式的欧洲基础设施，由位于捷克共和国、罗马尼亚和匈牙利的三个支柱组成，并通过欧盟的结构基金提供资金。ELI设施包括世界上一些最强大、最先进的激光器，例如高达10PW的脉冲、接近阿秒的超快激光，以及每秒发射10PW以上的功率高达10次的高平均功率组合激光。ELI设施可开展医疗领域的应用，如肿瘤治疗、个性化医学及生物医学成像，还可应用在先进工业领域，如无损检测关键部件和快速电子设备等应用。这些设施将改变研究人员获得世界领先的交互能力的方式，这三种设施将于2019年开始运营。欧盟ELI计划的科学目标为：面向100GeV的激光加速与Schwinger场的真空结构研究。第一个可操作的Petawatt级OPCPA系统是在俄罗斯科学院下诺夫哥罗德省（RAS）应用物理研究所使用自制的泵浦束开发的。激光在2006年交付0.2PW，并在2007年升级到0.56PW。这种被称为珍珠（培塔瓦特帕拉米激光器）的设备具有DKDP的活性元素；波长为910nm；脉冲持续时间为43-45fs。Pearl-X是下一代的OPCPA设施，理论极限为10PW，但更现实的操作极限为4-5PW。该技术也被转移到俄罗斯下诺夫哥罗德萨罗夫的FEMTA，使用2kJ激光进行泵送。这是一个潜在的多PW系统，但在泵的限制下输出在1PW，100J在100fs。俄罗斯科学院应用物理研究所提出的XCELS计划瞄准200PW峰值功率的实现其中的激光装置包含12束15PW，25fs的超强超短激光，利用相干合成技术实现180PW输出，最高可达200PW。如今超高强度设施重心的变化，从最初的美国到欧洲，目前牢牢集中在亚洲。我国在国际超高功率激光器的发展和应用上取得了最大的增长。上海研究机构：SIOM（上海光学和精细力学研究所）高功率激光和物理国家实验室（NLHPLP)；SIOM高场激光物理国家重点实验室；上海理工大学还有一个由SIOM运营的站点以及上海交通大学激光等离子体关键实验室（教育部）。在北京，北京国家凝聚态物理实验室、物理研究所（IOP)、中国科学院（CAS）和北京大学都有高功率激光器。绵阳是由中国工程物理研究院（CAEP）运营的激光聚变研究中心的所在地。国内超高功率激光器的发展和应用，解决了多项技术瓶颈，打破了国外技术垄断的局面，大大提升了我国大型装备制造水平。3总结随着激光技术的快速发展，激光强度得到了极大地提高，目前已经达。而正在建设或计划中的超强超短激光脉冲设施（如欧洲的ELI设施和英国HiPER计划等）所能提供的激光强度都在不断地向真空对产生所需的Schwinger临界场强接近。所以，强场下真空中产生正反粒子对问题再次得到人们的关注。另外，Schwinger对产生的研究还将有助于理解其他相关的物理问题，如重离子碰撞过程中的对产生、宇宙对产生和原子分子电离过程等。关于真空中粒子对的产生仍有很多未知的部分，仍需我们进一步地研究与探索。目前科研中所得实验数据的爆炸式产生，已远超我们的处理能力，且大量理论严格的前提条件导致很多数据与理论的存在偏差，即没有普遍、现实可接受的模型，经过深度学习算法和其他神经网络改进的机器学习很好的改变了这种情况。该系统通过从数据中自动提取特征，将特征与现有的近似模型相联系，从而可以构建新的预测模型，并很好的运用于实际情况。强场下真空中正负电子对产生过程为非微扰量子电动力学过程，其非微扰、非线性的特性使相应理论的处理十分困难，只有在一些特殊外场下，可得到其解析结果，同时实验设备等局限，导致实验数据的获取极其困难。结合机器学习，我们可以通过模拟实际的情况，对时间、空间，激光场等多种因素进行设置，进行大量复杂运算与机器学习的自我优化，从而得到真空中正负电子对产生的预测模型。参考文献[1]S.Backus,C.G.Durfee,III,M.M.Murnane,andH.C.Kapteyn,Rev.Sci.Instrum.69,1207(1998).[2]M.D.Perry,D.Pennington,B.C.Stuart,G.Tietbohl,J.A.Britten,C.Brown,S.Herman,B.Golick,M.Kartz,J.Miller,

H.T.Powell,M.Vergino,andV.Yanovsky,Opt.Lett.24,3(1999).[3]C.Danson,D.Hillier,N.Hopps,andD.Neely,HighPowerLaserSci.Eng.3,e3(2015).[4]NobelPrizewebsite:/uploads/2018/10/advanced-physicsprize2018.pdf.[5]NAPwebsite:/24939.[6]G.A.Mourou,T.Tajima,andS.V.Bulanov.OpticsintheRelativisticRegime[J].Rev.Mod.Phys.2006,78:309-371.[7]M.Protopapas,C.H.Keitel,andP.L.Knight.Atomicphysicswithsuper-highintensitylasers[J].Rep.Prog.Phys.1997,60:389-486.[8]C.J.Joachain,M.Doerr,andN.Kylstra.HighIntensityLaser-AtomPhysics[J].Adv.AtMol.Opt.Phys.2000,42:225-286.[9]G.S.Voronov,N.B.Delone.Ionizationofthexenonatombytheelectricfieldofrubylaseremission[J].JETPLett.1965,1:66.[10]P.Agostini,G.Barjot,J.F.Bonnal,G.Mainfray,andC.Manus.Quantumelectron[J].IEEEJ.Quant.Electron1968,4:667.[11]L.E.Hargrove,R.L.Fork,andM.A.Pollack,Appl.Phys.Lett.5,4(1964).[12]M.DiDomenico,Jr.,J.Appl.Phys.35,2870(1964).[13]A.Yariv,J.Appl.Phys.36,388(1965).[14]H.W.MockerandR.J.Collins,Appl.Phys.Lett.7,270(1965).[15]A.J.DeMaria,D.A.Stetser,andH.Heynau,Appl.Phys.Lett.8,174(1966).[16]D.StricklandandG.Mourou,Opt.Commun.56,219(1985).[17]E.Brookner,Sci.Am.252(1985).[18]R.L.Fork,O.E.Martinez,andJ.P.Gordon,Opt.Lett.9,150(1984).[19]O.Martinez,IEEEJ.QuantumElectron.23,59(1987).[20]E.B.Treacy,IEEEJ.QuantumElectron.5,454(1969).[21]M.Ferray,L.A.Lompr´e,O.Gobert,A.L'huillier,G.Mainfray,C.Manus,A.Sanchez,andA.S.Gomes,Opt.Commun.75,278(1990).[22]F.G.PattersonandM.D.Perry,J.Opt.Soc.Am.B8,2384(1991).[23]K.Yamakawa,C.P.J.Barty,H.Shiraga,andY.Kato,Opt.Lett.16,1593(1991).[24]C.Sauteret,G.Mourou,D.Husson,G.Thiell,S.Seznec,S.Gary,andA.Migus,Opt.Lett.16,238(1991).[25]B.Nikolaus,D.Grischkowsky,andA.C.Balant,Opt.Lett.8,189(1983).[26]P.F.Moulton,J.Opt.Soc.Am.B3,125(1986).[27]D.E.Spence,P.N.Kean,andW.Sibbet,Opt.Lett.16,42(1991).[28]C.P.J.Barty,Opt.Lett.19,1442(1994).[29]J.Squier,F.Salin,S.Coe,P.Bado,andG.Mourou,Opt.Lett.16,85(1991).

30.M.W.Phillips,Z.Chang,C.N.Danson,J.R.M.Barr,D.W.Hughes,C.B.Edwards,andD.C.Hanna,Opt.Lett.17,1453(1992).[30]ZhangD,CaoY,OuyangQ,TuY.Theenergycostandoptimaldesignforsynchronizationofcoupledmolecularoscillators[J].NaturePhysics,2019,16:95–100.[31]Y.He,T.G.Blackburn,T.Toncian,andA.V.Arefiev,Dom-inanceofgamma-gammaelectron-positronpaircreationinaplasmadrivenbyhigh-intensitylasers,Commun.Phys.4,139(2021).[32]Y