Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion

在高能物理学领域，科学家们长期以来一直寻求一种利用光而非庞大房间级机器来产生高速运动原子粒子束的方法。几十年来，标准方法涉及将强激光射向固体靶标，这会剥离原子中的电子，留下带正电的表面。这个表面随后会像一个巨大的、隐形的弹弓，将附近的离子（带电原子）以惊人的速度向外抛射。虽然这种被称为“靶后鞘层加速”（Target Normal Sheath Acceleration）的技术取得了成功，但它通常会产生能量范围极广的混乱粒子喷流，使其难以用于医疗成像或癌症治疗等精密任务。研究人员一直在寻找一种能够生成几乎所有粒子都以完全相同速度运动的粒子束（这种特性被称为“准单能”）的方法，并希望能够以一种允许将粒子束导向远离创建该束流的精密激光设备方向的方式来实现。

来自日本量子科学技术研究开发机构和大阪大学的一个研究小组，现在展示了这一追求过程中的重要进展。他们利用了一种称为“增强型库仑爆炸”（Boosted Coulomb Explosion）的机制，即激光创造一个驻波，将电子从预热的等离子体中推挤出去，导致剩余的重离子向外发生剧烈的爆发式喷射。在之前的实验中，这种爆炸只会将粒子向着激光的方向发射，这很成问题，因为用于聚焦激光的反射镜和透镜就在那条路径上，阻挡了任何试图捕捉该束流的仪器。然而，该团队的新工作表明，通过使用一层涂有重水的极薄铝片，他们可以触发这种爆炸，从而使一束干净、高能的氘离子（重氢原子）同时从靶标的前后两端射出。

实验是在快速点火激光实验（Laser for Fast Ignition Experiment）设施中进行的，在那里，四束同步的激光脉冲被结合在一起，将巨大的能量爆发释放到一个微小的靶标上。靶标本身是一片厚度仅为1.5微米的铝箔，大约只有一个细菌的宽度，其一侧沉积了一层微观的重水层。当激光击中靶标时，一个早到了几万亿分之一秒的预脉冲先到达，将重水层转化为一个炽热、膨胀的等离子体云。随后是主激光脉冲，它与这个云团相互作用，产生了爆炸性的力量。由于铝箔非常薄，激光能够在相互作用过程中部分穿透它，这种现象被称为“相对论透明性”（relativistic transparency）。这一突破使得加速过程可以在薄片的两侧发生，而不仅仅是在面向激光的一侧。

结果令人瞩目。在面向激光的一侧，团队测量到了一束平均能量为20.4百万电子伏特的氘离子束，且速度分布非常紧凑。在靶标的另一侧，即背面，他们探测到了一个能量甚至更高、达到23.8百万电子伏特的束流。使背面束流显得特别之处在于其纯度；它缺乏经常干扰此类测量的杂乱、低能背景粒子。研究人员发现，铝箔的薄度是关键因素。在较厚的靶标中，激光会在表面反射，产生一个长效的波，仅将粒子向前推动。而在这种薄靶标中，激光会穿透，缩短了推动的持续时间，但允许被加速的粒子穿过材料并在另一侧显现。计算机模拟证实了这一图景，展示了激光脉冲如何渗透靶标以及驻波如何坍塌，却依然成功地将大量粒子加速到了背面。

这一发现改变了利用激光驱动离子源的实际可能性。此前，粒子束的方向是一个主要障碍，因为激光光学器件阻挡了诊断和潜在应用的路径。通过实现双向束流，研究人员为在靶标后方放置探测器或治疗设备开辟了一条清晰的路径，使其远离激光的眩光。背面束流不仅具有高能量且没有低能噪声的事实表明，它可能成为未来技术的极高效来源。虽然粒子峰值能量比早期研究中使用较厚靶标所达到的能量略低，但粒子束的质量和方向性代表了在控制粒子诞生方式及去向方面的重大进步。这项工作深化了对光与物质在极端速度下如何相互作用的理解，证明了靶标的厚度可以作为一种精确的刻度盘，用来控制由此产生的粒子束的方向和质量。