利用超强激光场产生电子 - 正电子等离子体

我们简要回顾了近期在研究超相对论激光脉冲与真空及 $e^-e^+$ 等离子体相互作用的 QED 效应方面取得的进展。激光技术的发展预示着在不久的将来激光强度将非常迅速地增长。欧洲的两个 Exawatt 级设施（ELI 和俄罗斯的 XCELS）已处于规划阶段。这些项目的实现将提供强度约为 $\sim 10^{26}$W/cm$^2$ 甚至更高的激光。因此，关于真空中非线性光学效应的讨论对实验学家来说变得紧迫，并正受到广泛关注。我们表明，尽管相应的场强仍然本质上小于 $E_S=m^2c^3/e\hbar=1.32\cdot 10^{16}$V/cm，但在 ELI 和 XCELS 设施上将可以观测到非线性真空效应。最有希望被观测到的效应是激光脉冲在真空中产生粒子对。研究表明，在强度约为 $\sim 5\cdot 10^{25}$W/cm$^2$ 时，即使产生单个粒子对也会伴随着雪崩式 QED 级联的发展。与由初级宇宙射线进入大气层而产生的空气簇射相比，激光诱导的级联存在一个重要的区别特征。在我们的案例中，激光场不仅扮演靶的角色（类似于空气簇射中的原子核），还负责加速慢速粒子。研究表明，粒子对产生效应对可达到的激光强度施加了自然限制。显然，场强 $E\sim E_S$ 对于产生粒子对的电磁场来说是完全不可达的。