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Single-laser scheme for reaching strong field QED regime via direct laser acceleration

R Babjak, M Vranic2026年10月Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

We investigate a single-laser scheme for reaching the strong-field QED regime based on direct laser acceleration of electrons followed by their head-on collision with the same laser pulse reflected from an overdense foil. In this configuration, electrons are first accelerated inside an underdense plasma by a relativistic laser pulse and subsequently interact with the reflected laser field, emitting high-energy photons via nonlinear Compton scattering which are transformed into electron–positron pairs through the nonlinear Breit–Wheeler process. Using analytical scalings supported by quasi-3D particle-in-cell simulations including QED effects, we demonstrate that a laser pulse with power as low as 2 PW is sufficient to reach the quantum regime characterized by . For higher powers, we observe a rapid nonlinear increase in the number of generated positrons, reaching more than 2 nC for a 10 PW laser pulse with energy of approximately 1.1 kJ. A semi-analytical model is employed to estimate the positron yield, showing good agreement with simulation results. We further study the influence of laser depletion and the positioning of the reflecting foil on the efficiency of pair production. The presented scheme provides a platform for probing strong-field QED effects using currently available multi-petawatt laser systems.

日本語訳

我々は、過密フォイルから反射された同一レーザーパルスとの正面衝突に続く電子の直接レーザー加速に基づく、強磁場QED領域に到達するための単一レーザー方式を調査する。この構成では、電子はまず相対論的レーザーパルスによって低密度プラズマ内で加速され、その後反射されたレーザー場と相互作用し、非線形コンプトン散乱を介して高エネルギーの光子を放出する。これらの光子は非線形ブライト・ホイーラー過程を通じて電子・陽電子対に変換される。QED効果を含む準3次元粒子インセルシミュレーションによって支持された解析的スケーリングを用いて、わずか2 PWの出力を持つレーザーパルスが、 によって特徴づけられる量子領域に到達するのに十分であることを実証する。より高い出力では、生成される陽電子数の急速な非線形増加が観察され、約1.1 kJのエネルギーを持つ10 PWレーザーパルスに対して2 nCを超える陽電子数に達する。半解析モデルを用いて陽電子収量を推定し、シミュレーション結果と良好な一致を示す。さらに、レーザー減衰と反射フォイルの位置が対生成効率に及ぼす影響を研究する。提示された方式は、現在利用可能なマルチペタワットレーザーシステムを用いて強磁場QED効果を探るためのプラットフォームを提供する。

AIによる論文要約

直接レーザー加速を用いて強場QED領域に到達する単一レーザー方式
JAレーザー加速、強場QED、陽電子生成、PICシミュレーションに関心のある学生・研究者。特に、マルチPWレーザーで量子電磁力学効果を実験的に調べたい人に向く。#レーザー加速 #強場QED #陽電子生成 #PICシミュレーション #レーザー物理学
LLM向け: {"Title": "直接レーザー加速と同一レーザーの反射による強場QED領域到達の単一レーザー方式", "Authors": "不明(提供情報に記載なし)",…

この論文は、1本のレーザーで電子を直接加速し、同じレーザーを薄膜で反射させて正面衝突させることで、強場量子電磁力学(QED)領域を目指す方式を提案します。電子はまず低密度プラズマ中で加速され、反射レーザー場との相互作用で nonlinear Compton 散乱により高エネルギー光子を放出し、その光子が nonlinear Breit–Wheeler 過程で電子–陽電子対を生成します。QED効果を含む準3D PICシミュレーションと解析的スケーリングにより、2 PWでも量子領域に到達し、10 PW・約1.1 kJでは2 nC超の陽電子が得られることを示します。既存のマルチPWレーザーで強場QEDを調べるプラットフォームになります。

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