近期，我校數(shù)理學(xué)院沈百飛研究員和中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所弓正副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新型高效的粒子加速機(jī)制，稱(chēng)為“相對(duì)論電磁激波加速機(jī)制”。

在宇宙中，超新星爆發(fā)等劇烈天文事件會(huì)產(chǎn)生以接近光速運(yùn)動(dòng)的大尺度等離子體噴流。當(dāng)這種相對(duì)論等離子體撞擊宇宙預(yù)先存在的磁場(chǎng)（如含有大范圍磁場(chǎng)的天體）時(shí)，只要其動(dòng)能密度遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)的磁能密度，磁力線(xiàn)將被劇烈壓縮，導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。理論表明，若壓縮速度接近光速，磁場(chǎng)強(qiáng)度可增強(qiáng)為原來(lái)的2γ_p^2倍（γ_p為等離子體的相對(duì)論因子）。在這一過(guò)程中，快速變化的磁場(chǎng)將激發(fā)橫向電場(chǎng)，靜磁場(chǎng)被快速壓縮后變成了超強(qiáng)電磁波，我們稱(chēng)之為“相對(duì)論電磁激波”。

相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的等離子體天體壓縮磁場(chǎng)可形成相對(duì)論電磁激波，加速帶電粒子

相對(duì)論電磁激波中的電磁波傳播速度略快于激波前沿所伴隨的相對(duì)論等離子體流速，使得激波的平臺(tái)區(qū)逐漸變寬。帶電粒子進(jìn)入該區(qū)域后，受到橫向電場(chǎng)的持續(xù)作用獲得能量，同時(shí)在增強(qiáng)磁場(chǎng)的引導(dǎo)下其軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終垂直激波面逸出。通過(guò)哈密頓量分析可得，帶電子粒子的最大能量與2γ_p^2 γ_0成正比（γ_0為帶電粒子的初始相對(duì)論因子），圖1為示意圖。值得強(qiáng)調(diào)的是，該結(jié)果表明帶電粒子所獲得的最大能量與初始靜磁場(chǎng)強(qiáng)度沒(méi)有直接關(guān)系，即使初始靜磁場(chǎng)很弱，只要激波加速區(qū)域的尺度足夠大，粒子仍有可能被加速到極高的能量。圖2顯示了橫向加速距離與初始磁場(chǎng)之間的定標(biāo)關(guān)系，進(jìn)一步說(shuō)明了該結(jié)論的普適性。

上圖為質(zhì)子最大加速距離與初始磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系以及最大能量。線(xiàn)條表示質(zhì)子最大加速距離y_max與磁場(chǎng)強(qiáng)度B_z0的關(guān)系，假定天體的速度為v_p=0.925。彩色區(qū)域顯示了星際物質(zhì)（ISM）、脈沖星風(fēng)星云（PWN）、伽馬射線(xiàn)暴（GRB）、活動(dòng)星系核（AGN）、白矮星（WD）和中子星（NS）等天體的典型磁場(chǎng)強(qiáng)度和距離范圍。

那么，這一機(jī)制是否可以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)？是否能夠利用它在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生高能粒子束？

目前，超強(qiáng)激光的功率已達(dá)到10拍瓦，正在上海張江建設(shè)的“極端光物理線(xiàn)站”則計(jì)劃實(shí)現(xiàn)50拍瓦級(jí)別的激光輸出。如此高強(qiáng)度的激光在聚焦后能夠產(chǎn)生極強(qiáng)的光壓。早在2001年，沈百飛研究員曾在理論上提出，可利用超強(qiáng)激光的光壓整體加速納米厚度的薄膜靶，從而產(chǎn)生高能離子，這一機(jī)制也常被稱(chēng)為“光壓加速”。如果將以接近光速運(yùn)動(dòng)的薄膜靶與靜磁場(chǎng)結(jié)合，就可以通過(guò)快速壓縮磁場(chǎng)，形成超強(qiáng)的電磁激波來(lái)加速帶電粒子。

為驗(yàn)證“相對(duì)論電磁激波加速機(jī)制”的可行性，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了激光等離子體數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，當(dāng)強(qiáng)度為約為1×〖10〗^23   W?cm^2的超強(qiáng)激光脈沖作用于等離子體并壓縮靜磁場(chǎng)時(shí)，所激發(fā)的電場(chǎng)能夠?qū)①|(zhì)子加速到超過(guò)10 GeV。

展望未來(lái)，這一新的加速機(jī)制具有潛在的發(fā)展前景。由于粒子加速主要發(fā)生在橫向方向，借助線(xiàn)聚焦以及橫向飛行焦點(diǎn)等技術(shù)手段，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)加速距離，從而提高粒子的最終能量。此外，該機(jī)制也非常適合實(shí)現(xiàn)多級(jí)激光等離子體相互作用的級(jí)聯(lián)加速（如圖3所示）。

相對(duì)論電磁激波級(jí)聯(lián)加速示意圖

（可采用橫向飛行焦點(diǎn)激光作為驅(qū)動(dòng)源，磁場(chǎng)方向需根據(jù)粒子的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行改變，以確保橫向電場(chǎng)始終沿y方向）

該研究成果發(fā)表于A(yíng)dvanced Science（https://doi.org/10.1002/advs.202503538），第一作者為上海師范大學(xué)的博士研究生肖婷，沈百飛（研究員）和弓正（副研究員）為通信作者。文章的合作者還包括：上海師范大學(xué)的張曉梅（研究員）、孔凡秋（博士生）和鄭小龍（講師）。

（供稿、圖片：數(shù)理學(xué)院）