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创新点：
研究团队通过使用PW激光器加速的电子束与超强激光场的相互作用，成功地在实验中验证了非线性康普顿散射现象。这一成就标志着实验物理进入了强场量子电动力学（QED）的新区域，其中量子非线性参数χ达到了0.46，远超线性散射的范畴。
量子电动力学（QED）是描述光与物质在基本层面相互作用的精确理论，它结合了相对论和量子力学。然而，QED在弱光场中的成功并不能直接推广到强光场中，因为在强光场中，与精细结构常数的展开不再有效，使得完全解析描述变得几乎不可能。因此，实验上探索强场QED对于理解基本物理过程至关重要，尤其是在天体物理观测和下一代电子-正电子对撞机中强场的产生具有直接的相关性。在这项研究中，研究人员使用4 PW的激光器通过laser wakefield acceleration产生了GeV电子束，然后使其与超高强度激光束相撞，产生伽马射线。实验测量的伽马射线谱远远超出了线性康普顿散射的截止能量，能量高达数百MeV。通过与量子同步辐射模型的解析预测以及在局部恒定场近似（LCFA）下的QED粒子模拟（PIC）结果进行比较，证实了在强场QED区域发生了非线性康普顿散射（NCS），获得了量子非线性参数χ≈0.46和经典非线性参数a0>10。实验装置包括一个主激光束用于电子加速，以及一个用于散射的第二激光束。通过精确的空间和时间同步，成功产生了康普顿伽马射线信号。使用两个探测器测量了伽马射线的束轮廓和能量谱。实验结果与理论预测和模拟结果吻合良好，证实了在多GeV电子与超高强度激光脉冲碰撞的场景中LCFA的有效性。![]()
图1 全光学非线性康普顿散射实验的示意图。
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参考文献：
M. Mirzaie, C. I. Hojbota, D. Y. Kim, V. B. Pathak, T. G. Pak, C. M. Kim, H. W. Lee, J. W. Yoon, S. K. Lee, Y. J. Rhee, M. Vranic, Ó. Amaro, K. Y. Kim, J. H. Sung, and C. H. Nam, "All-optical nonlinear Compton scattering performed with a multi-petawatt laser," Nat. Photon. (2024).https://doi.org/10.1038/s41566-024-01550-8
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