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超强激光科学卓越创新简报

(第七百二十八期)

2025年11月27日

上海光机所与合作者发表《等离子体加速极化粒子束》综述

近日，《Reports on Progress in Physics》刊载了题为《Plasma acceleration of polarized particle beams》的综述文章，由中德两国科研机构合作完成。该文章系统回顾了“激光等离子体加速极化粒子束”这一前沿领域的进展，深入探讨了其物理机制、实验方法与加速方案，并对未来十年的发展路径作出展望。

近年来，等离子体加速因其超高的加速提督成为粒子物理与加速器的研究热点。在此背景下，该文章指出，将自旋极化与等离子体加速相结合，不仅能开辟极化研究的新路径，同时也能为高能物理、核物理、聚变能源及实验室天体物理等领域提供前所未有的实验手段。

然而如何维持等离子体中的粒子自旋极化是一项严峻挑战，这主要源于等离子体中极端瞬变的电磁场环境。文章分析了在等离子体加速过程中主导粒子自旋演化的三种机制：自旋进动、自旋偏转与辐射极化。其中，由TBMT（Thomas–Bargmann–Michel–Telegdi）方程描述的自旋进动效应被认为是导致退极化的主导因素。进一步分析表明，退极化过程主要发生在粒子被注入加速结构的初始阶段，而在后续的高能加速过程中，自旋方向对电磁场涨落的敏感度显著降低，这为设计极化保持方案提供了关键依据。

在实现极化束加速的技术路径方面，文章重点分析了两类靶材方案。一类是预极化靶，如已成功用于激光加速实验的极化³He气体靶，证明了极化在加速后得以保持的原理可行性；另一类是原位极化方案，通过圆偏振激光对特定原子实施选择性电离，直接在等离子体中产生极化电子，该路径无需外部磁保持场，具备实现更高束流密度的潜力。除了靶材技术，可靠的诊断手段也至关重要，在极化测量方面，文章指出由于等离子体束流飞秒级脉冲、千安培级峰值流强的特点，康普顿透射极化仪等非破坏性诊断手段展现出独特优势，将成为推动实验进展的重要支撑。

此外，对不同类型极化粒子的加速，文章分别总结了其进展与特点。对于极化电子，激光尾波场加速结合拉盖尔-高斯激光模式或碰撞脉冲注入等方式，已在模拟中实现超过80%的极化度。极化正电子的产生则更多依赖于量子电动力学过程，如通过非线性Breit-Wheeler过程将极化电子或伽马光子的偏振转化为正电子极化，理论预测其极化度可达60%。在离子加速方面，磁涡旋加速机制能够输出高电荷量束流，而无碰撞激波加速则展现出保持90%以上极化度的优异能力，二者分别适用于不同需求的应用场景；此外，极化伽马光子的产生技术已趋于成熟，其不仅可作为高亮度射线源，更具备反演等离子体内部瞬态场结构的独特诊断能力，为理解激光-等离子体相互作用提供了新视角。

展望未来，文章指出该领域正迈向以实验验证为核心的发展阶段。极化电子与离子加速的实验演示将成为近期关键目标，而极化正电子的高效产生与捕获仍需依托SULF/SEL（上海超强超短激光装置/极端光物理线站）、ELI（欧洲极端光学装置）等的新一代超强激光设施。在应用层面，等离子体加速器所产生的飞秒、千安培级极化束流，有望作为高性能注入器推动下一代对撞机与自由电子激光的建设；在聚变能源领域，极化燃料的使用可显著提升反应截面，为激光驱动聚变带来新的可能；在实验室天体物理方面，极化光子与粒子束为模拟宇宙中的极端辐射过程提供了全新手段。可以预见，随着全球多处大型超强激光装置的陆续建成与投入运行，极化粒子束的等离子体加速研究将逐步从原理探索走向实际应用，为强场物理与核物理打开新的窗口。

《Reports on Progress in Physics》由英国皇家物理学会主办，与《Reviews of Modern Physics》、《Physics Reports》等同为物理类旗舰综述期刊。本工作德国杜塞尔多夫大学、中国科学院上海光机所、中国科学院理论所等六位作者合作完成撰写，上海光机所吉亮亮研究员为本综述的同等贡献作者之一。该综述建立在上海光机所团队与德国团队多年合作的基础之上，德方首席科学家Markus Bueshcer也于近期入选中国科学院PIFI杰出教授计划。相关工作得到国家基金委基础科学中心项目、中国科学院先导项目等的资助。

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