介绍一种线性布赖特-惠勒过程的新实现方案

正电子是电子的反物质，它们有相同的质量，但却有相反的电荷。当正电子和电子相遇时，它们会相互湮灭，释放出高能的光子，这个过程叫做正负电子对湮灭。但是，这个过程也可以反过来进行。如果两个高能的光子相撞，它们也可以产生一对正负电子。这个过程叫做线性布赖特-惠勒过程，它是光子和光子之间最基本的相互作用之一。

你可能会问，为什么我们要关心这个过程呢？有两个主要的原因。第一个原因是，这个过程是量子电动力学中最简单的过程之一，它可以检验我们对量子场论的理解。第二个原因是，这个过程可以提供一种新的方法来产生和加速正电子束。正电子在自然界很少存在，但在科学和工程中有很多应用，比如正电子发射断层扫描或者正负电子对撞机。

那么，我们怎么实现这个过程呢？我们需要两个条件：第一个条件是，我们需要有足够高能的光子。第二个条件是，我们需要有足够密集的光子。换句话说，我们需要一个光子对撞机。但是，要建造一个光子对撞机并不容易。传统的方法是利用高能电子束和强磁场来产生高能光子，并让它们在一个小空间内相遇。但是，这种方法需要非常大型和昂贵的设备，并且效率很低。

那么，有没有更好的方法呢？最近一篇发表在《物理评论快报》的论文介绍了一种简单而有效的方案，即利用超强激光脉冲与接近临界密度等离子体相互作用，在其中形成一个自组织的光子对撞机，从而产生和加速正电子。

等离子体是由带电粒子（如电子、离子、原子核等）组成的第四态物质。等离子体中存在着复杂而丰富的集体行为和波动现象。当激光脉冲与等离子体相互作用时，会产生各种各样的非线性效应和粒子加速机制。等离子体有一个重要的参数叫做临界密度，是指当激光入射到等离子体时，激光无法穿透等离子体的密度。临界密度的数值取决于激光脉冲的波长，一般来说，波长越短，临界密度越高。

当激光入射到近临界等离子体时，激光会在等离子体表面形成一个强烈的电场，将电子推向激光前沿。这样就形成了一个高能的同步辐射源，可以发射出高能的光子。这些高能的光子可以在激光前沿相互碰撞，产生正负电子对。同时，由于等离子体表面的电场，这些正电子会被加速到超相对论能量。这样就实现了用超强激光脉冲产生和加速正电子的目标。接下来，研究人员打算用数值模拟验证该机制。

不过，这个过程虽然非常简单，但是却很难用数值模拟来验证。因为要模拟线性布赖特-惠勒过程，你需要同时考虑光子和粒子之间的相互作用，这需要很大的计算资源和时间。不过，他们用一种新颖的方法来模拟这个过程，并且得到了一些有趣的结果。

他们发现，在实验可达到的激光强度下（10^22 W/cm^2），用近临界等离子体作为靶标可以产生一个具有几十GeV能量、0.1 pC总电荷、10°发散角的正电子束。这个正电子束主要来自于线性布赖特-惠勒过程，而不是其他可能的过程，比如贝特-海特勒过程，即高能光子与原子核碰撞产生正负电子对的过程。

这个模拟结果为将来实验观察线性布赖特-惠勒过程和应用正电子束提供了一种可行的途径。

审核编辑：刘清