在接近施温格极限的极端强度下，光如何与物质相互作用？
通过实验生成强度越来越大的光束可能有助于揭示在非常强的电磁场中发生的新的物理现象。尽管在这一目标上取得了一些进展，但物理学家尚未开发出一种可靠的策略来实现极端光强度。LIDYL、CEA、CNRS 和巴黎萨克雷大学的研究人员最近提出了一种切实可行的方法，利用紧密聚焦的多普勒增强激光器在实验环境中实现前所未有的光强度。这种方法在《物理评论快报》发表的一篇论文中进行了概述，理论上发现它可以实现接近施温格极限的光物质相互作用。
论文共同作者 Henri Vincenti 和 Neil Zaim 告诉 Phys.org：“这篇论文利用了我们法国替代能源和原子能委员会 (CEA-LIDYL) 团队于 2019 年提出的一个想法，此后我们与劳伦斯伯克利国家实验室合作对这个想法进行了广泛研究（特别是在建模方面）。”
“在这次合作中，我们正在设计一种新技术来产生前所未有的强度的光源，并研究如何利用这种光源来探索量子电动力学（SF-QED）的强场区域。”
QED 是相对论量子电动力学理论，是经过最精确测试的物理理论之一。然而，由于目前实验探索困难，其强场区仍未被探索。
Vincenti 和 Zaim 说：“SF-QED 理论几十年前就已经发展起来，它预测在非常强的电磁场中会出现新的物理状态，其中伽马射线发射和反物质（电子-正电子对）的产生很普遍，甚至真空中的光传播也会变得非线性。”
“例如，一束强光束可以改变穿过其路径的另一束光束的传播，这种情况无法用本质上是线性的麦克斯韦方程来描述。”
理论上，强场区会出现在大质量天体（包括黑洞和中子星）附近，以及极端天体物理事件（如伽马射线爆发）期间。这些宇宙学现象尚未完全被理解，因此在实验室环境下研究与之相关的极端区可能会带来深刻的见解。
然而，到目前为止，科学家还无法在实验环境中成功再现 SF-QED 主导的模式。少数尝试这样做的实验依赖于大型粒子加速器，但它们只能检测到少量的 SF-QED 过程。
Vincenti 和 Zaim 表示：“这些情况在实验室环境下很难重现，因为当电磁场接近所谓的施温格极限（~10 18 V/m 或相当于 ~10 29 W/cm 2）时，就会发生 SF-QED 现象；这比最先进的激光技术高出几个数量级，而最先进的激光技术‘只能’产生高达 ~10 23 W/cm 2的强度。”
“事实上，人们通常认为在实验室框架中不可能达到施温格场。因此，所有过去和拟议的实验都依赖于在高能粒子的静止框架中达到施温格极限。”
Vincenti、Zaim 和他们的同事希望他们提出的产生高强度光的技术将为研究开辟新的机遇。具体来说，它最终可以让物理学家在实验室环境中接近所谓的施温格极限。
Vincenti 和 Zaim 表示：“在我们 2019 年的论文中，我们利用最先进的数值模拟验证了光增强技术的可行性。”
“我们的模拟表明，这种方法可以将 PW 激光的强度提高 2 到 5 个数量级，有可能使 10 25 -10 28 W/cm 2的强度范围达到当前激光技术的水平。在2021 年发表在《自然物理学》上的一篇论文中，我们通过强度更适中（~10 19 W/cm 2）的太瓦 (TW) 级激光器首次获得了对这一结果的实验验证。”
在2021 年发表的另一篇论文中，Vincenti 和他的合作者概述了进一步数值模拟的结果。这些结果表明，即使在他们希望使用他们提出的方法实现的最低强度（~10 25 W/cm 2）下，增强光也足以触发比传统 PW 激光器探测到的更多的 SF-QED 现象。
Vincenti 和 Zaim 表示：“这可能会在未来几年催生出一种新型的 SF-QED 实验。不过，在这种情况下，我们距离实验室框架中的施温格极限还有几个数量级的差距，因为只有在高能粒子的静止框架中，这个极限才会被超越。”
虽然研究人员已经进行了各种数值模拟，以从理论上验证他们的方法，但其潜在应用之一尚未被探索。具体来说，该团队尚未探索其在实验室框架内接近施温格极限的潜力。
多普勒增强激光与电子束碰撞的模拟。图片来源：Zaïm 等人。
Vincenti 和 Zaim表示：“这相当于我们希望通过光增强技术实现的最高强度（~10 28 W/cm 2）。”“这篇新论文的目的是利用最先进的数值工具探索这些未知领域中可能出现的物理场景。这样的结果对于激励、定义和准备未来几代 SF-QED 实验非常重要。”
为了产生前所未有的强度光，Vincenti 及其同事提出的技术利用了 PW 激光与平坦固体靶之间的相互作用，该靶被电离成等离子体。具体来说，研究人员建议用超高强度的激光束击中光学抛光的固体靶，从而形成所谓的等离子体镜。
该等离子镜反射入射光，并受强激光场的影响。这种运动导致反射的激光脉冲暂时压缩，然后通过多普勒效应转换为较短的波长。来自激光的辐射压力使等离子镜具有自然曲率，将多普勒增强光束聚焦到较小的点上，理论上在这些点上产生超过三个数量级的强度增益。
Vincenti 和 Zaim 解释说：“要达到接近施温格极限的最高强度（例如 ~10 28 W/cm 2，而不是 ~10 25 W/cm 2），关键的附加因素是将增强光聚焦到尽可能最小的体积的能力。”
“我们目前正在探索几种在实验中实现如此紧密聚焦的途径，例如，通过使用外部重聚焦极紫外光学系统。其中一些技术已经看起来非常有前景，并将成为未来出版物的主题。”
在他们最近的论文中，Vincenti 和 Zaim 没有对用于紧密聚焦多普勒增强光的方法做出任何假设，因为这将使他们能够在数值模拟中表示各种潜在选项。相反，他们只是假设他们可以将光聚焦到其最小可能的体积（即其衍射极限）。
Vincenti 和 Zaim 说：“我们获得的结果非常令人兴奋，因为它们表明，在实验室框架内接近施温格极限将产生新的、极其丰富的光物质相互作用场景，处于现代物理学的前沿。”
“我们增强的光与固体目标之间的简单相互作用导致了大量主导物理学的 SF-QED 事件。通常，30% 到 50% 的增强光能量在几十飞秒内通过 SF-QED 过程转化为伽马射线和电子-正电子对。”
研究人员进行的数值模拟还表明，他们的方法可以产生伽马光子和电子-正电子对，这些光子和电子-正电子对会聚集成以光速移动的致密火球。虽然这些火球的寿命很短，约为 1 fs，但该团队认为它们可以模拟黑洞和中子星附近的电子/正电子喷流，从而有助于揭示它们发射的辐射的来源。
Vincenti 和 Zaim 表示： “在我们可以合理考虑的最高强度下（>10 28 W/cm 2），我们发现物理现象变得更加激进：粒子产生的链式反应开始发生。”
“换句话说，光子和电子-正电子对会自己产生新的光子和电子对，使火球的密度呈指数级增加，最高可达固体密度的 5,000 倍以上。认为这种链式反应机制有可能产生新的伽马射线爆发和反物质的先进源并非不合理。”
Vincenti、Zaim 和他的同事从理论上证明了，他们的多普勒增强光与来自粒子加速器的高能电子束碰撞也会产生有趣的结果。事实上，在这种配置中，电子静止框架中的场变得如此之高，以至于为 SF-QED 开发的微扰理论失效。
“换句话说，截至今天，我们还不知道这样的实验会发生什么，”文森蒂和扎伊姆解释道。
“理论框架的缺乏可能既是由于非微扰量子场论的数学复杂性，也是由于研究人员多年来一直认为在电子的静止框架中不可能达到如此高的电场。我们猜测，这类结果将进一步激发人们对 SF-QED 非微扰机制的兴趣，并刺激开发更适合该机制的新理论或数值框架。”
研究人员迄今为止收集的结果表明，进行接近施温格极限的实验将产生令人兴奋的新结果，这些结果可能对等离子体物理和 QED 领域做出巨大贡献。在接下来的研究中，他们计划与世界各地的主要激光设施合作，开始将他们提出的方法应用于实际实验。
Vincenti 和 Zaim表示：“我们预计的主要挑战是在实验存在缺陷（激光和靶材）且光束时间有限的情况下，在现实环境中实际产生尽可能高的光强度（高达 10 28 W/cm 2）。识别和缓解未来的障碍需要结合理论、数值和实验专业知识。”
研究人员预测，在首次实验中，他们将能够产生强度约为 10 25 W/cm 2的增强光。虽然这些强度仍远低于施温格极限，但仍将创下世界纪录，为前所未有的高影响 SF-QED 实验铺平了道路。
Vincenti 和 Zaim 补充道： “然后，我们将利用以前实验的反馈和未来激光技术的进步，逐步提高增强的光强度，直至达到 Schwinger 极限。这将使我们能够获得越来越多壮观的 SF-QED 主导相互作用。因此，我们坚信，未来将迎来激动人心的时刻。”
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