利用光制造物质：为高功率激光模拟指明方向

在宇宙生命开始的几分钟内，光能的碰撞发射产生了物质和反物质的第一个粒子。我们熟悉物质在从篝火到原子弹等各种物质中产生光能量的逆过程，但要再现光转化为物质的临界过程是很困难的。

现在，由加州大学圣地亚哥分校的Alexey Arefiev领导的一个研究小组进行的一组新的模拟研究，为从光中制造物质指明了方向。这个过程首先将高功率激光对准目标，产生和中子星一样强的磁场。这个场产生伽马射线发射，碰撞产生最短的物质和反物质粒子对。

一项最新研究为超级光基础中心（ELI）的高功率激光设备的研究人员提供了从光中产生物质的新思路。上图为ELI光束线研究中心的L3-HAPLS先进佩瓦激光系统。

近日发表在《物理评论应用Physical Review Applied》上的这项研究提供了一种方法，位于东欧的超级光基础中心（ELI）的高功率激光设施的实验人员可以遵循这种方法，在一到两年内产生实际结果，机械和航空航天工程副教授Arefiev说。

他说：“我们的研究结果使科学家能够首次探索宇宙中的一个基本过程。”

利用大功率

相对论激光等离子体模拟小组的博士生Tao Wang和他们的同事多年来一直致力于研究如何产生强烈的、定向的能量和辐射光束，这项工作得到了国家科学基金会和空军科学研究办公室的部分支持。他们指出，实现这一目标的一种方法是将高功率激光对准目标，以产生一个非常强的磁场，从而发射出强烈的能量。

Arefiev解释说，当激光中的电子以非常接近光速的速度移动，并有效地变得更重时，针对致密目标的高强度超短激光脉冲可以使目标“相对透明”。这样可以防止激光的电子移动以保护目标免受激光的照射。当激光通过这些电子时，它产生的磁场强度相当于中子星表面的拉力——比地球磁场强1亿倍。

这一切都发生在眨眼之间，是一个巨大的放大过程。磁场存在100飞秒。（飞秒是10-15秒，即百万分之一秒）但是“从激光的角度来看，这个场是准静态的，”Arefiev表示说，以这种激光的角度来看，我们的生命可能比宇宙的生命还要长。

在这种情况下，高功率激光器的功率范围是千万瓦。一瓦特等于一百万瓦特。相比之下，太阳向地球整个高层大气输送的太阳辐射约为174兆瓦。一个激光指针将大约0.005瓦特的能量传送到一个功率点上。

先前的模拟表明，所讨论的激光必须是高功率的，并且瞄准一个微小的点，以产生所需的强度，从而产生足够强的磁场。新的模拟结果表明，通过增大焦斑的大小，并将激光功率提高到大约4皮瓦特，激光的强度可以保持不变，仍然可以产生强磁场。

模拟结果表明，在这些条件下，磁场中的激光加速电子会刺激高能伽马射线的发射。

Arefiev说：“我们没想到我们不需要达到极端的强度，只需要增加能量，你就能得到非常有趣的东西。”。

粒子对

其中一个有趣的事情是电子-正电子对物质和反物质的成对粒子的产生。这些粒子可以通过碰撞两个伽马射线束或碰撞一个伽马射线束与黑体辐射产生，黑体辐射吸收掉落在黑体上的所有辐射。这种方法产生了很多这样的结果：一次碰撞产生了数万到数十万对。