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英研究人员使用超强激光器观察电子辐射反应

发布:HPLSElaser    |    2018-02-12 10:46    阅读:565
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英国伦敦帝国理工学院和贝尔法斯特女王大学的研究人员使用超强激光器探索量子电动力学中的一个基本问题,即加速电子对其自身辐射的响应。


图1,辐射反应是其释放出的辐射加速电子的反作用。通常情况下可忽略不计,但是在洛仑兹力的方程中添加一项来进行典型描述。但是,当电子反冲不可忽略时,则需要一个量子描述。Mangles团队及Zepf团队通过将电子暴露于超强激光场来研究量子辐射的反应机制。这两个团队随后使用他们的数据来区分不同的辐射反应模型。图片来源:美国物理学会,Alan Stonebraker。

因为已加速的电子能够发射电磁辐射,所以我们才能够每天欣赏天空的颜色,天线产生无线电波将音乐发送到我们的汽车中。然而另一种观点认为,所发射的辐射对电子本身施加了反作用,类似于摩擦的阻尼效应(图1)。20世纪初,物理学家首次在理论上研究了这种“辐射反应”。然而,只有当电子的能量损失与反作用力所做的功相当时,这种效应才可被观测到,此时反正用力与电子在其静止参考系中加速的速度是一致的。虽然这种情况可以在远程天体物理环境中得以实现,例如脉冲星周围的等离子体,但在实验室中难以观测。曾经有两篇论文报告了辐射反应中电子能量损失的初步测量结果,这是由于使用极强的电磁场“震动”电子而产生的。这两个实验都使用了世界上功率最强的激光器之一,但两篇论文对于哪种模型更能详尽地描述数据提出了不同的结论。

加速电子辐射的事实意味着我们所熟悉的在电磁场中描述电子作用力的洛仑兹表达式是不完整的。例如,一个恒定且均匀的磁场中的电子。洛仑兹力预测电子的运动轨迹为稳定的圆周运动,但这在技术上是不可行,因为电荷向外辐射出能量。为了描述电荷的真实运动情况,必须在洛仑兹方程中增加额外项来说明电子辐射的阻尼效应。

Lev Landau和Evgeny Lifshitz关于场论的经典研究文献中描述了辐射反作用力的表达式,当电子后坐力可忽略不计时,该表达式完全成立。然而,当电子以高频率(大动量)发射辐射时(高能电子遇到强电磁场时可能遇到的情况),电子反冲作用相当大。足够大的反冲作用与所谓的量子辐射反应机制相对应。在这里,辐射反应令人联想到康普顿效应,其中一个光子被吸收,另一个光子由于电子反冲作用而以不同的频率重新发射。两者的不同之处在于量子辐射反应涉及许多光子的吸收和发射,并且由于光子发射的概率性质,电子动力学不再是确定性的。这个过程的描述需要使用到量子电动力学,但所涉及的计算非常复杂,因此取决于简化的量子模型。

如果不存在对Landau-Lifshitz描述之外的辐射反应敏感的实验,这种理论工作可以说是在黑暗中继续摸索前进。伦敦帝国理工学院的Stuart Mangles和贝尔法斯特女王大学的Matthew共同领导了两个新实验。这两个团队都在英国的卢瑟福阿普尔顿实验室使用了Astra Gemini激光器。该激光器将产生两束同步脉冲,每束脉冲将大约一个瓦特的功率放入一个细菌细胞大小的体积中。研究人员将第一束激光束引入低密度等离子体中,通过被称为激光尾迹加速的过程产生一小束高能量电子。随后将第二束激光束以反向传播的几何形态导向电子束。由于相对论效应,这种几何结构将确保电子在其静止参考系中“观察到”尽可能高的电磁场强度和频率。在这些条件下,电子将散射处激光束光子,且这些散射的光子将在实验室中被检测为伽马射线。由于辐射反应,电子也将失去能量。

两个研究团队的实验在大多数方面完全相同,相当于在碰撞中测量电子和伽马射线的能量谱,然后将电子谱与第二束射线的谱线进行比较。研究人员认为,如果他们在强伽马射线发射的同时检测到电子能量损失,则碰撞事件为一次“成功”的辐射反应。两个实验都只获得了少量的成功事件,这主要是因为在激光脉冲和电子束之间实现良好的时空重叠非常困难,每一个电子束都只有几十飞秒的持续时间,并且只有几个微米的宽度。另一个复杂问题为,激光尾流场加速电子的平均能量波动的幅度与辐射反应的能量损失相当。

这些实验的最终目标为使用数据来区分不同的辐射反应模型。在他们的分析中,Mangles团队分别考虑了两个能量参数,分别表征电子和伽马射线谱。这些参数之间的预测相关性取决于是否使用了经典或量子模型进行辐射反应,该团队发现量子模型能够更精准地描述数据。但量子模型与数据之间的匹配处于“1σ”的置信水平。换句话说,量子模型比经典模型更好地描述数据的可能性只有68%。

Zepf团队的分析略有不同,他们试图使用基于不同辐射反应模型的模拟再现电子谱的详细形状。他们的结论为一个“半经典”模型,在经典Landau-Lifshitz辐射反应表达式中引入现象修正,比量子模型更适合他们的数据。这听起来可能令人惊讶,因为量子描述原则上应该是最普遍的描述,因此包括经典描述。然而,Zepf团队认为这种差异可能表明量子模型的某些假设不成立,这个观点已在基于正电子与晶体相互作用的辐射反应的另一项研究中提出。

这些论文的不同结论可作为修正辐射反应量子理论的参考。但必须强调的是,新数据在统计学上无法作为证明量子辐射反应的证据,更不用说决定现有的一种模型比其他模型更合适。收集更多的碰撞事件则更获得更多的进展,并从激光尾流场加速中获得更稳定的电子束。进一步观察辐射反应的补充实验方法可获得其更多的信息,这可能与下一代高强度激光系统有关。Mangles和Zepf团队的实验正在开创一个新时代,物质和超强激光之间的相互作用被用于研究基本现象,其中的一些现象在实验室中从未被研究过。

来源: https://physics.aps.org/articles/v11/13

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