不同強外場下真空產生正反粒子對問題研究目錄TOC\o"1-3"\h\u126401引言 1294322正文 28842.1真空對產生 2291572.2實驗儀器 3101983總結 6摘要隨著中國激光信息技術的快速發展，實驗室中所能取得的電磁場強度得到了一個極大的提高，使得強外場下真空中產生正反粒子對問題再次成為研究熱點。對不同外場形狀下粒子產生問題的理論研究，不僅可以加深人們對粒子產生過程的理解，而且可以使人們在量子領域進行更深入的探索，也有助于指導實驗驗證真空的產生。本文的主要內容是對不同強外場下真空產生正反粒子對問題的研究的概述。主要講述：真空對粒子產生問題的由來與目前主要研究方向。關鍵詞：強場物理，真空產生正反粒子對，動力學輔助的Schwinger機制，多縫干涉效應多光子對產生1引言如今，不同激光強度對應著不同物理相互作用領域，如圖1所示。當激光強度小于，激光場所提供的電場強度不足以直接離原子內電子，此時研究激光與原子分子的相互作用，例如：隧穿電離、多散電離和高次諧波產生等；當激光強度為-，激光場可以把原子內的電子直接電離，從而形成等離子體，此時研究激光與等離子體相互作用，例如：電子離子加速、高能X射線產生和慣性約束聚變等；激光強度大于時，研究領域拓展到了相對論區域，電子在一個激光周期內達到相對論速度，此時電子所受洛倫力中的磁場部分的大小和電場部分的大小處于同一量級，此時電子運動變得高度非線性引起了大量新物理現象，例如：相對論自聚集，激光尾場加速，強激光場中的Compton散射等。其中，強外場中真空衰變產生的正負粒子對問題已成為研究熱點。圖1.不同激光強度對應的不同物理相互作用領域2正文2.1真空對產生為了避免克萊因－高登方程中概率不守恒的問題，狄拉克（Dirac）在假設方程關于時間與空間的微分呈一次關系后得出了有名的Dirac方程。但是狄拉克（Dirac）方程有兩個解：正能解和負能解。若負能解是正確存在的，那么一定存在沒有被我們觀測到的虛粒子。為了解釋負能解的存在，Dirac提出：無外場時真空是由完全被負能電子占據的負能帶（Diracsea）和空著的正能帶所構成，正能帶間隙為又因為泡利不相容原理（不可能有兩個或更多的費米子處于完全相同的量子狀態），所以正能連續態上電子根本無法通過輻射能量躍遷到負能連續態上。之后實驗中發現：強場中，可能會發生能級交錯，根據量子隧穿效應，負能帶中負能粒子有一定概率穿到正能帶形成電子，在負能帶中，留下一個空穴（即空穴理論中電子的反粒子——正電子）。強場量子電動力學（QED）中對產生有3種方法：①高能光子在強激光場中傳播：電子與激光光子間發生非線性康普頓（Compton）散射產生高能γ光子，之后高能γ光子再與激光光子相互作用發生多光子Breit－Wheel過程產生正負子對；②依靠強激光中的庫侖場：增大入射粒子質量（如質子或原子核），此時非線性康普頓（Compton）散射過程被抑制，此時激光與原子核的庫侖場相互作用產生正負電的對，即多光子Bethe－heisler過程；③兩束激光對撞形成駐波場：由于目前激光的空間聚焦尺度遠大于正負電子對產生所對應的空間尺度（電子的Compton波長）所以兩束激光對撞產生的駐波場可以看作空間均勻隨時間變化的電場，該場下主要聚焦于：優化外場構型降低對產生閾值；對強場下對產生的特性的研究等。在計算后得到正負電子對產生率，其對于弱場來說是指數抑制的，同時由一個γ參數：，可知：參數γ<<1時，正負電子對產生率的大小取決于外場強度，與電場頻率無關，此時反粒子對主要通過量子隧穿效應產生（能級交錯）；參數γ>>1時，已負電子對產生率大小取決于電場頻率，此時外場強度較低，隧穿效應被抑制而光子能量較高，主要通過光子吸收過程產生正負粒子對。常用研究方法有半經典近似法與量子動理學方法。半經典近似法中有世界線瞬子技術（為研究常數外場下的非微擾過程提供了一個有效方法）與廣義WKB近似（可以精確研究雙勢壘系統的量子隧穿和壘上散射問題）；量子動理學方法中有量子Vlasov方程（QVE，非常適合用于研究兩激光對撞形成的馬駐波場下的正負電子對產生問題）與Dirac－Heisenberg－Wigner形式（可以研究不均月含時電場下的真空對產生問題，也可以研究有磁場存在時對產生過程，即可以研究任意形式電磁場下真空對產生問題；對于空間均勻含時電場，它可以化簡為量子Vlasov方程）。在不同構型外場下，真空對產生過程中有很多新現象值得去研究。2.2實驗儀器1917年，愛因斯坦提出了一套全新的技術理論‘光與物質相互作用’，即在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到光子的激發，會從高能級躍遷到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，可以出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。1960年7月8日，美國科學家梅曼發明了紅寶石激光器，從此人們便可獲得性質和電磁波相似而頻率穩定的光源。之后激光技術不斷發展完善，我們也得到許多不同的激光，激光強度也被不斷提高，圖2為激光技術的發展歷程。2018年諾貝爾物理學獎授予唐娜斯特里克蘭教授和杰拉德穆魯的發展技術啁啾脈沖放大（CPA)，使更強的激光成為可能。在接下來的幾年里，人們試圖提高峰值功率和集中強度，以達到實驗室內的極端條件。隨著q開關的發明，峰值功率最初上升了幾個數量級，然后是鎖模技術。在雷達系統中也存在一個類似的問題，即需要超出現有電路能力的短的、強大的脈沖。利用色散延遲線，雷達脈沖可以在傳輸前進行拉伸和放大，然后對反射脈沖進行壓縮，避免了放大器電路內的峰值功率。在電信行業，開展了使用棱鏡和光柵對來補償長長度光纖對寬帶激光脈沖造成的光譜相位畸變的工作。通過將望遠鏡放在一對光柵中，馬丁內斯提出了一種方法來逆轉所賦予的光譜相位的符號，從而創造了一個可以拉伸脈沖，然后精確地壓縮它的裝置。這些系統被用于沿纖維傳播之前的拉伸脈沖，然后壓縮它們以減少非線性效應。斯特里克蘭德和穆魯的方法是從一個商業鎖模Nd：YAG振蕩器獲得150ps輸出，然后拉伸到300ps，并在1.4公里的光纖中拓寬，結合群速度色散和自相位調制。然后在一個Nd：玻璃再生放大器中放大脈沖，并使用處理光柵對進行壓縮，以補償光纖施加的二階光譜相位。從最初的CPA論文的結論中可以看出，我們已經證明了我們首先拉伸一個啁啾的光脈沖，然后在壓縮前進行放大，高峰功率脈沖就可以實現。如今，我們已經產生了能量為1mJ的2ps的脈沖。圖2.激光器的發展在此對部分實驗儀器進行介紹。位于美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL,LawrenceLivermoreNationalLaboratory）在高能和超高功率激光設施的發展中發揮了關鍵和主導作用。世界范圍內第一個Petawatt級激光：Nova，專用的前端和真空壓縮機用于在440fs脈沖中提供680J,1.5PW?國家點火設施（NationalIgnitionFacility,NIF）有192個40cm×40cm的光束，最初在一個～3ns形脈沖3ω，0.6PW（一個真正的Petawatt級激光器本身，在多個光束線中傳輸），用于間接光束驅動。圖3.美國激光實驗裝置及其相關特性歐洲在超高強度激光器的發展中是關鍵的，許多系統在國家實驗室和大學都在運行。這些系統的發展所必需的許多發展，包括OPCPA，都是在歐洲開創的。法國有一個非常強大的工業基礎，它為世界各地的實驗室提供組件、子系統，甚至佩塔瓦級的設施。ELI（極端輕型基礎設施）是一個分布式的歐洲基礎設施，由位于捷克共和國、羅馬尼亞和匈牙利的三個支柱組成，并通過歐盟的結構基金提供資金。ELI設施包括世界上一些最強大、最先進的激光器，例如高達10PW的脈沖、接近阿秒的超快激光，以及每秒發射10PW以上的功率高達10次的高平均功率組合激光。ELI設施可開展醫療領域的應用，如腫瘤治療、個性化醫學及生物醫學成像，還可應用在先進工業領域，如無損檢測關鍵部件和快速電子設備等應用。這些設施將改變研究人員獲得世界領先的交互能力的方式，這三種設施將于2019年開始運營。歐盟ELI計劃的科學目標為：面向100GeV的激光加速與Schwinger場的真空結構研究。第一個可操作的Petawatt級OPCPA系統是在俄羅斯科學院下諾夫哥羅德省（RAS）應用物理研究所使用自制的泵浦束開發的。激光在2006年交付0.2PW，并在2007年升級到0.56PW。這種被稱為珍珠（培塔瓦特帕拉米激光器）的設備具有DKDP的活性元素；波長為910nm；脈沖持續時間為43-45fs。Pearl-X是下一代的OPCPA設施，理論極限為10PW，但更現實的操作極限為4-5PW。該技術也被轉移到俄羅斯下諾夫哥羅德薩羅夫的FEMTA，使用2kJ激光進行泵送。這是一個潛在的多PW系統，但在泵的限制下輸出在1PW，100J在100fs。俄羅斯科學院應用物理研究所提出的XCELS計劃瞄準200PW峰值功率的實現其中的激光裝置包含12束15PW，25fs的超強超短激光，利用相干合成技術實現180PW輸出，最高可達200PW。如今超高強度設施重心的變化，從最初的美國到歐洲，目前牢牢集中在亞洲。我國在國際超高功率激光器的發展和應用上取得了最大的增長。上海研究機構：SIOM（上海光學和精細力學研究所）高功率激光和物理國家實驗室（NLHPLP)；SIOM高場激光物理國家重點實驗室；上海理工大學還有一個由SIOM運營的站點以及上海交通大學激光等離子體關鍵實驗室（教育部）。在北京，北京國家凝聚態物理實驗室、物理研究所（IOP)、中國科學院（CAS）和北京大學都有高功率激光器。綿陽是由中國工程物理研究院（CAEP）運營的激光聚變研究中心的所在地。國內超高功率激光器的發展和應用，解決了多項技術瓶頸，打破了國外技術壟斷的局面，大大提升了我國大型裝備制造水平。3總結隨著激光技術的快速發展，激光強度得到了極大地提高，目前已經達。而正在建設或計劃中的超強超短激光脈沖設施（如歐洲的ELI設施和英國HiPER計劃等）所能提供的激光強度都在不斷地向真空對產生所需的Schwinger臨界場強接近。所以，強場下真空中產生正反粒子對問題再次得到人們的關注。另外，Schwinger對產生的研究還將有助于理解其他相關的物理問題，如重離子碰撞過程中的對產生、宇宙對產生和原子分子電離過程等。關于真空中粒子對的產生仍有很多未知的部分，仍需我們進一步地研究與探索。目前科研中所得實驗數據的爆炸式產生，已遠超我們的處理能力，且大量理論嚴格的前提條件導致很多數據與理論的存在偏差，即沒有普遍、現實可接受的模型，經過深度學習算法和其他神經網絡改進的機器學習很好的改變了這種情況。該系統通過從數據中自動提取特征，將特征與現有的近似模型相聯系，從而可以構建新的預測模型，并很好的運用于實際情況。強場下真空中正負電子對產生過程為非微擾量子電動力學過程，其非微擾、非線性的特性使相應理論的處理十分困難，只有在一些特殊外場下，可得到其解析結果，同時實驗設備等局限，導致實驗數據的獲取極其困難。結合機器學習，我們可以通過模擬實際的情況，對時間、空間，激光場等多種因素進行設置，進行大量復雜運算與機器學習的自我優化，從而得到真空中正負電子對產生的預測模型。參考文獻[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,

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