美国物理研究所：下一代激光设备有望迎来相对论等离子体研究的新时代

啁啾脉冲放大是2018年诺贝尔物理学奖的主题，这项技术可以提高当今许多功率最高的研究激光器中激光脉冲的强度。随着下一代激光设备希望将光束功率推高至10皮瓦，物理学家们期望研究等离子体的新时代，等离子体的行为受到黑洞中典型特征和脉冲星风的影响。

当前的高功率激光器将光聚焦的强度比地球表面的日光强度高1023倍。在这些极端强度下，电子会在激光聚焦中的任何物质中迅速从原子上剥离，从而产生等离子体。但是，随着强度从今天达到的峰值（2×10 22W/cm2）增长到下一代设施（如Extreme Light Infrastructure）（≧1023W/cm2）预期达到的强度，这种等离子体的行为将发生巨大变化。在强度≧5×1022W/cm2的情况下，预计激光焦点中的电磁场将剧烈加速等离子体中的电子，从而使它们有效地辐射出伽马射线光子。这些光子可以带走太多的能量，以至于电子的运动会受到由此产生的能量损失的影响，并且辐射反作用力（粒子在辐射时在粒子自身上施加的力）在确定等离子体的宏观动力学时变得非常重要。激光的电磁场是如此之强，以至于量子电动力学效应也变得很重要。在这种情况下，辐射反作用力不再具有确定性，即，与其完全像经典图片一样不知道电子的轨迹，我们现在只能知道电子具有给定轨迹的概率。此外，伽马射线光子可以转换成电子－正电子对，这些对可以发射更多的光子，从而发射更多的对，并且随后会产生大量反物质，从而对整个等离子体的行为产生严重影响。辐射反应，QED效应和超相对论等离子体过程之间的相互作用将定义这种新的“ QED-等离子体”方案中激光与物质相互作用的物理原理，但目前知之甚少。

美国物理研究所研究人员发布了一份研究报告，概述了即将出现的高功率激光器的功能，旨在向我们介绍有关经受强场量子电动力学（QED）过程的相对论等离子体的信息。此外，为进一步探索这些新现象提出了新的研究设计。

强场QED是标准粒子物理模型中研究较少的一个角落，大型对撞机设施，如SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）或欧洲核子研究组织（CERN），由于加速器设置中缺乏强电磁场，尚未对其进行探索。使用高强度激光，研究人员可以使用强磁场，这些强磁场已经在诸如伽马射线发射和电子－正电子对生成等现象中观察到。

该小组探讨了这些发现如何潜在地导致基础物理学研究以及高能离子，电子，正电子和光子源的发展。这些发现对于当今扩展多种扫描技术至关重要，从材料科学研究到医学放射治疗再到用于国土安全和工业的下一代射线照相。

QED过程将导致巨大的新等离子体物理现象，例如从近真空中产生致密的电子－正电子对等离子体，QED过程完全吸收激光能量，或者停止超相对论电子束，该电子束可以穿透一厘米的由头发的激光宽度引起。

该研究小组希望这篇论文能帮助更多的研究人员关注QED等离子体新领域。