超强激光脉冲与电子束相互作用中辐射量子随机性的特征研究

Quantum stochasticity effects of radiation (QSER) in the interaction of an ultra-intense laser pulse with a counter-propagating electron beam is one of the most significant topics of strong-field QED research. Unfortunately, the QSER have not been observed in experiments so far. In this project, we would intensively investigate the QSER in the interaction of an ultra-intense laser pulse with a counter-propagating relativistic electron beam, in particular, the effects of QSER on the electron-beam dynamics, and the detection method of QSER via the electron-beam dynamics. We would study the electron-beam dynamics in detail via employing the quantum radiation model based on the Monte-Carlo method, the quantum-modified Landau-Lifshitz radiation model and the classical Landau-Lifshitz radiation model, respectively. By comparing the simulation results of these three models, the signatures of QSER would be revealed in the electron-beam dynamics. Besides, we would comprehensively investigate the roles of the laser-pulse and electron-beam parameters in the determination of the signatures of QSER, and find out the applicable and efficient method for observing QSER via optimizing the initial parameters. Our group has solid foundation and rich experience in the related strong-field QED research, and has achieved some initial results, i.e., finding the signatures of QSER in the angular distributions of the electrons’ momenta. Therefore, our group would very hopefully accomplish the expected research goals and achieve breakthrough results.

超强激光脉冲与电子束相互作用中辐射量子随机性是强场QED领域的重要研究内容之一。然而，截至目前辐射量子随机性理论尚未能被实验所验证。本项目将重点研究超强激光脉冲和相对论电子束相互作用中辐射量子随机性的特征及观测方法。分别采用基于蒙特卡洛方法的量子辐射模型、量子修正的Landau-Lifshitz辐射模型和经典Landau-Lifshitz辐射模型，深入研究电子束的动力学过程。通过对比三种模型模拟结果的不同，将揭示出反映在电子束动力学信息上的辐射量子随机性特征信号。系统研究激光和电子束初始参数对辐射量子随机性特征的影响，以期最终获得观测辐射量子随机性的有效方法。本项目申请团队相关研究基础良好，经验丰富，并且已经取得了初步研究成果——发现电子动量偏折角分布可以有效反映出辐射量子随机性特征，有望通过本项目的资助顺利完成研究目标并取得突破性成果。本项目研究成果将推动辐射量子随机性的研究进展。

非线性康普顿散射过程中电子辐射光子的量子随机特性是强场QED物理领域重要的理论推断之一。然而，截至目前辐射量子随机性理论尚未能被实验所验证。本项目重点针对超强激光脉冲和相对论电子束相互作用过程中辐射量子随机性的特征及观测方法展开研究。研究中采用了三种理论模型——基于蒙特卡洛方法的量子辐射模型、量子修正的Landau-Lifshitz辐射模型和经典Landau-Lifshitz辐射模型，对超强激光场中的电子束的动力学过程进行了系统性研究和分析；分别从“激光强度小于反射阈值”、“激光强度大于反射阈值”两个方面完成了辐射量子随机性特征研究内容；揭示出了反映在电子束动力学信息上的辐射量子随机性特征信号；指出了利用电子束动力学信息来观测辐射量子随机性的有效验证方案；同时提出了利用散射电子束的空间分布与入射激光载波相位的关联性，来测量PW激光载波相位的实验方法。本项目完成了预期研究目标，并扩展研究了非线性康普顿散射过程中的极化效应（包括电子自旋和光子偏振效应），提出了利用超强激光产生“自旋极化电子源”、“高亮度偏振伽马光源”和“自旋极化正电子源”的全新技术途径。该项目研究成果有助于增进人们对非线性康普顿散射中的电子随机动力学过程的认识，促进了激光与物质相互作用的理论与应用方面的发展；同时，拓展研究中的强场QED极化效应研究成果，将为极化正负电子源和偏振伽马光源装置的方案设计和升级改造提供理论支撑。

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