Electron–positron pair production at ultra-relativistic laser intensities has been one of the most interesting topics of high energy physics and plasma physics in the last several decades. Here we report simulations of copious electron–positron pair production via enhanced electron injection from a mass-limited foil driven by a circularly-polarized laser pulse focused to the forthcoming intensity of 1023 W cm–2. The laser pressure pushes the center foil forward as a whole with the lateral laser wave passing by the foil boundary and being reflected by the second thick carbon target. The accelerated electrons from the mass-limited foil are injected into the reflected laser wave in the hole-boring front of the carbon target, resulting in a significant enhancement of the γ-photon emission via nonlinear Compton scattering. Finally, we obtain 1014γ-photons with an average energy of 14.48 MeV and a conversion efficiency from the laser to the γ-ray energy of 18%. A dense beam of 1011 positrons is produced with an average energy of 160 MeV, which may have wide-range applications to astrophysics and fundamental physics.
電子・陽電子対生成は、超高強度レーザー場において、ここ数十年間、高エネルギー物理学とプラズマ物理学の最も興味深いテーマの一つである。本論文では、10^23 W cm^-2の強度に集光された円偏光レーザーパルスによって駆動される、質量制限フォイルからの電子注入の増強を介した、多量の電子・陽電子対生成のシミュレーションを報告する。レーザー圧力はフォイル全体を前方に押し出し、一方、レーザーの側方部分はフォイルの境界を通過し、第二の厚いカーボンターゲットによって反射される。質量制限フォイルから加速された電子は、ホールボーリングフロントにおいて反射レーザー波に注入され、非線形コンプトン散乱によるγ光子生成の大幅な増強が達成される。最終的に、平均エネルギー14.48 MeVの10^14個のγ光子が得られ、レーザーからγ線への変換効率は18%に達する。さらに、平均エネルギー160 MeVの高密度陽電子ビーム（10^11個）が生成され、これは天体物理学や基礎物理学の広範な応用が期待される。