激光-等离子体相互作用中的自触发强场QED碰撞

在最极端条件下探索量子电动力学——其中电子-正电子对可以在强背景场存在下产生——现在正变得可能，这通过超强激光与高能电子之间的康普顿碰撞实现。在强场区域，碰撞电子发射出 $\gamma$ 射线，这些射线在强激光场中衰变为电子-正电子对。虽然传统加速器与足够功率激光器的结合面临重大挑战，但激光等离子体加速器为产生所需的多GeV电子束提供了一种有前景的替代方案。为了克服将这些电子束与另一个超强激光脉冲对撞的复杂性，我们提出了一种新颖方案，其中单个激光脉冲既加速电子，又在经过专用等离子体段的自聚焦并从等离子体镜反射后与它们碰撞。等离子体中的激光强度增强使得量子相互作用参数得以大幅增加。通过全尺寸数值模拟，我们证明单个100 J激光脉冲可以实现深度量子区域，在电子静止系中电场强度高达 $\chi_e\sim 5$ 倍施温格临界场，从而产生约40 pC的正电子。