Direkte Laserbeschleunigung von Bethe-Heitler-Positronen in Laser-Kanal-Interaktionen

Die Erzeugung und Beschleunigung von Positronen ist eine der größten Herausforderungen beim Bau zukünftiger Leptonenbeschleuniger. Einerseits kann die konventionelle Technologie eine Lösung bieten, jedoch zu prohibitiv hohen Kosten und im großen Maßstab. Andererseits könnten alternative, reduzierten Maßstab Ideen zur Generierung von Positronenstrahlen diesen Traum näher zur Realität bringen. Hier schlagen wir eine neuartige plasma-basierte Beschleunigungsmethode für Positronen vor, die einen leistungsstarken Laser nutzt, der durch einen dichten und schmalen Plasmakanal propagiert. Eine große Menge an Elektronen wird während der Laserpropagation in den Kanal injiziert. Diese Elektronenladung erzeugt statische Felder im Plasma, die es den Positronen ermöglichen, quer geleitet zu werden, während sie direkt Energie aus dem Laserfeld selbst gewinnen. In diesem Zusammenhang präsentieren wir ein theoretisches Modell, um zu beschreiben, wie der Laser die Elektronen injiziert, und schätzen die effektive Elektronendichte im geladenen Strahl. Wir validieren unsere theoretischen Vorhersagen durch quasi-3D-PIC-Simulationen und demonstrieren die Robustheit dieses Leit- und direkten Laserbeschleunigungsprozesses für Positronen. Unser Ansatz könnte den Weg ebnen, dieses neue Positronenbeschleunigungsschema am ELI-Beamlines zu testen und eine bisher unerreichte hohe durchschnittliche Energiegewinnrate von einigen TeV/m zu zeigen. Der produzierte Feuerball-Jet enthält Elektronen, Positronen und Röntgenstrahlen auf GeV-Niveau und eröffnet den Weg zu potenziellen Laborastrophysikexperimenten mit diesen Strahlen.