マルチペタワットレーザーで非線形コンプトン散乱を実証、天体物理現象を模倣し超高輝度ガンマ線を生成(Research Team Demonstrated Nonlinear Compton Scattering with a Multi-petawatt Laser, Mimicking Astrophysical Phenomena and Producing Ultra-Bright Gamma Rays)

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2024-11-25 韓国基礎科学研究院(IBS)

研究チームは、韓国のGwangju Institute of Science and Technology (GIST)内にある基礎科学研究院(CoReLS)の4ペタワットレーザーを用いて、非線形コンプトン散乱(NCS)を成功裏に実証しました。この手法では、超高強度レーザーパルスと超相対論的電子ビームが衝突し、超高エネルギーのガンマ線を生成します。この「オール光学」セットアップは、レーザーを電子加速と衝突の両方に使用する新しいアプローチで、従来の粒子加速器を必要としない点が画期的です。チームは、電子に複数のレーザーフォトンを吸収させ、高エネルギーガンマ線を放出させる現象を観察しました。生成されたガンマ線は従来より1,000倍明るく、核プロセスや反物質生成の研究への応用が期待されています。

<関連情報>

マルチPWレーザーで全光学的非線形コンプトン散乱を実現 All-optical nonlinear Compton scattering performed with a multi-PW laser

Mohammad Mirzaie, Calin Ioan Hojbota, Do Yeon Kim, Vishwa Bandhu Pathak, Tae Gyu Pak, Chul Min Kim, Hwang Woon Lee, Jin Woo Yoon, Seong Ku Lee, Yong Joo Rhee, Marija Vranic, Óscar Amaro, Ki Yong Kim, Jae Hee Sung & Chang Hee Nam
Nature Photonics  Published:14 October 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-024-01550-8

マルチペタワットレーザーで非線形コンプトン散乱を実証、天体物理現象を模倣し超高輝度ガンマ線を生成(Research Team Demonstrated Nonlinear Compton Scattering with a Multi-petawatt Laser, Mimicking Astrophysical Phenomena and Producing Ultra-Bright Gamma Rays)

Abstract

Light–matter interactions driven by ultrahigh-intensity lasers have great potential to uncover the physics associated with quantum electrodynamics (QED) processes occurring in neutron stars and black holes. The Compton scattering between an ultra-relativistic electron beam and an intense laser can reveal a new interaction regime, known as strong-field QED. Here we present an experimental demonstration of nonlinear Compton scattering in a strong laser field, in which a laser-accelerated multi-gigaelectronvolt electron scatters off hundreds of laser photons and converts them into a single gamma-ray photon with several-hundred-megaelectronvolt energy. Along with particle-in-cell (PIC)-QED simulations and analytical calculations, our experimental measurement of gamma-ray spectra verifies the occurrence of Compton scattering in the strongly nonlinear regime, paving the road to examine nonlinear Breit–Wheeler pair production and QED cascades.

1700応用理学一般
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