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隨著啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的發(fā)展，特別是10-100拍瓦（PW,1PW=1x1015瓦）激光器的建成，激光光強(qiáng)可以達(dá)到1023W/cm2以上。超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用是一種極端非線性過(guò)程，不僅可以用于電子、質(zhì)子和重離子的加速，也可以產(chǎn)生從太赫茲到X/γ射線的超短超強(qiáng)寬帶相干輻射。正是由于CPA激光在粒子加速和輻射領(lǐng)域的重要潛力和貢獻(xiàn)，Mourou and Strickland獲了2018年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。

光子（能量）在特定條件下可以轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，這對(duì)研究物質(zhì)的起因有重要的意義。相關(guān)的理論研究始于上世紀(jì)30年代，直到1997年，美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到多光子碰撞產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過(guò)程。然而，對(duì)于兩個(gè)高能光子的相互作用產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過(guò)程，也就是常說(shuō)的光子對(duì)撞機(jī)，受制于已有伽馬射線源的流強(qiáng)和亮度不夠高，迄今為止還未被在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是10拍瓦（1拍瓦 = 1×1015瓦）激光器的建成，激光光強(qiáng)得到極大地提高，預(yù)測(cè)可以達(dá)到1×1023 W/cm3以上。當(dāng)如此高強(qiáng)度的激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，大部分激光能量將被物質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)化成伽馬射線，若能同時(shí)有效控制伽馬射線的發(fā)散角，伽馬射線源將會(huì)達(dá)到前所未有的流強(qiáng)和亮度。

在“大科學(xué)裝置前沿研究”重點(diǎn)專項(xiàng)等的支持下，北京大學(xué)物理學(xué)院顏學(xué)慶、盧海洋研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)實(shí)驗(yàn)上雙光子相互作用產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)這一世界性科學(xué)難題，開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。前期工作中，他們研究了如何產(chǎn)生超高亮度伽馬輻射源，提出了10拍瓦量級(jí)激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)方案，從理論方面深入闡明了微通道結(jié)構(gòu)靶中電子的加速過(guò)程由縱向電場(chǎng)主導(dǎo)，電子的橫向加速得到有效抑制，因此利于獲得高準(zhǔn)直性的電子束，當(dāng)這些電子束在橫向電場(chǎng)中的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，電子就會(huì)在管道邊界處產(chǎn)生強(qiáng)的伽馬輻射。

電子的發(fā)散角決定著伽馬輻射的發(fā)散角，數(shù)值模擬顯示，10拍瓦激光所獲得的發(fā)散角約為3度，具有非常好的準(zhǔn)直性，所獲伽馬射線源的亮度比之前研究報(bào)道結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)?；谠摮吡炼鹊馁ゑR射線源，研究人員將其應(yīng)用于光子對(duì)撞機(jī)。理論模擬表明，該方案每一次對(duì)撞可以產(chǎn)生3億多個(gè)正負(fù)電子對(duì)，同時(shí)背景噪聲得到有效抑制，信噪比高于1000:1，且每一次對(duì)撞的正負(fù)電子對(duì)信號(hào)（>1×108）遠(yuǎn)高于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的探測(cè)極限。

該設(shè)計(jì)方案可以在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證光子相互作用過(guò)程中能量到物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，為研究激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)提供了新途徑，也有望為未來(lái)建設(shè)基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應(yīng)用裝置提供依據(jù)。

在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：11775010，11575011，11535001，61631001和11605111）、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施培育項(xiàng)目和國(guó)家重大儀器專項(xiàng)等支持下，北京大學(xué)顏學(xué)慶教授團(tuán)隊(duì)在激光等離子體加速領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于高品質(zhì)拍瓦激光，實(shí)驗(yàn)上首次利用人工設(shè)計(jì)的微納靶材，獲得了能量高達(dá)580兆電子伏特的碳離子，將原飛秒激光加速重離子能量記錄提高了兩倍；并提出采用微結(jié)構(gòu)管靶獲得產(chǎn)額1014/發(fā)和發(fā)散角小于3度的超高亮度伽馬輻射源新方案，亮度比之前研究報(bào)道結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)結(jié)果以“Creation of Electron-positron Pairs in Photon-photon Collisions Driven by 10-PW Laser Pulses”（基于十拍瓦激光的光子對(duì)撞與正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生新方案）和“Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”（雙層靶激光級(jí)聯(lián)加速產(chǎn)生高能碳離子）為題，于2019年1月9日和10日連續(xù)在線發(fā)表于Physical Review Letters（《物理評(píng)論快報(bào)》）上。