Polarisation von ultrarelativistischen Elektronen für Hochenergieexperimente optimiert

Hochpräzise Hochenergiephysik an Beschleunigern erfordert longitudinal spin-polarisierte Elektronenstrahlen, z. B. das Q-Weak-Experiment am Jefferson Lab und E158 am SLAC. Eine derzeit gängige Methode zur Erzeugung zirkular polarisierter Elektronen in Beschleunigern ist die alte Technik der durch ein zirkular polarisiertes Laserfeld induzierten Photoemission aus einem Festkörper. Es gab eine Reihe von Versuchen, zu diesem Zweck die Compton-Streuung zu nutzen. Während hier die Helizität (Drehsinn bezüglich der Ausbreitungsrichtung) der Laserphotonen effizient auf die emittierten Gamma-Strahlen übertragen wird, ist die longitudinale Polarisation der gestreuten Elektronen im linearen Bereich nicht effizient und im nichtlinearen Bereich unterdrückt.

In starken Hintergrundfeldern können Elektronen aufgrund des Spin-Flips während der Photonenemission polarisiert werden, was zuerst für Synchrotronstrahlung entdeckt und als radiative Polarisation bezeichnet wurde. Kürzlich wurde die Möglichkeit einer effizienten Strahlungspolarisation unter Verwendung ultrastarker Laserfelder nachgewiesen: zur Erzeugung polarisierter Elektronen und Positronen auf der Zeitskala von Femtosekunden sowie zur die Polarisationsübertragung von Elektronen auf Gamma-Strahlen in Laserfeldern. Bei der Strahlungspolarisation erfolgt der Spin-Flip des Elektrons vorzugsweise entlang des momentanen Magnetfelds im Ruhesystem des Elektrons. Aus diesem Grund sind zunächst unpolarisierte Elektronen nach der Wechselwirkung in ultrastarken Laserfeldern meist transversal polarisiert, während für die Hochenergiephysik longitudinale Polarisation erwünscht ist.

In einer aktuellen Zusammenarbeit mit zwei früheren Gruppenmitgliedern und jetzigen Professoren in China wurde die Rolle des anomalen magnetischen Moments der Elektronen auf die Helizitätsübertragung von einem zirkular polarisierten (CP) Laserpuls auf einen ultrarelativistischen Elektronenstrahl für den nichtlinearen Compton-Streuprozess in einem von Strahlungsreaktionen dominierten Regime untersucht. Während frühere Studien, die die QED-Strahlungskorrekturen vernachlässigten, zu dem Schluss kamen, dass die Helizitätsübertragung von Laserphotonen auf Elektronen im nichtlinearen Compton-Streuprozess verboten ist, ergibt sich eine beträchtliche longitudinale Polarisation der Elektronen, wenn die Ein-Schleifen-QED-Vertex-Korrektur des anomalen Beitrags zum magnetischen Moment berücksichtigt wird. Mit diesem Schema kann direkt eine erhebliche longitudinale Elektronenpolarisation erzeugt werden, ohne dass ein zusätzlicher Polarisationsrotator erforderlich ist, und das in einer um Größenordnungen schnelleren Zeitskala.

Der physikalische Mechanismus hinter dem angewandten Szenario des Helizitätstransfers während der nichtlinearen Compton-Streuung lässt sich wie folgt aufklären: Zunächst induzieren die Spin-Flips während der Photonenemission eine transversale Polarisation der Elektronen, die aufgrund der Vorliebe für Spin-Flips entlang des Magnetfelds an die Phase des Laserfeldes angepasst ist. Die phasenangepasste Eigenschaft der transversalen Polarisation und die anomale Korrektur des magnetischen Moments führt zur Umwandlung der oszillierenden transversalen Polarisation in longitudinale Polarisation, die sich während der Wechselwirkung aufbaut. Letzteres zeigt eine Signatur von QED-Strahlungskorrekturen für die Elektronenpolarisationsdynamik in ultrastarken Laserfeldern und stellt die Annahme in Frage, dass zirkular polarisierte Laserstrahlen keine hohe Longitudinalpolarisation induzieren können. Dank der hohen Luminosität von Kollisionen im nichtlinearen Bereich ist diese Einzelschuss-Signatur robust gegenüber den Laser- und Elektronenparametern und mit der derzeit verfügbaren experimentellen Starkfeld-Lasertechnologie messbar.


Originalpublikation:

Helicity Transfer in Strong Laser Fields via the Electron Anomalous Magnetic Moment
Y. Li, Y. Chen, K. Z. Hatsagortsyan, and C. H. Keitel
Phys. Rev. Lett. 128, 174801 (2022), DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.1748011


Gruppe Hatsagortsyan in der Abteilung Keitel am MPIK


Kontakt

Dr. habil. Karen Z. Hatsagortsyan
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Abbildung 1. Schema der Erzeugung longitudinal polarisierter Elektronen durch Helizitätsübertragung während der nichtlinearen Compton-Streuung eines zirkular polarisierten starken Lasers und eines unpolarisierten Elektronenstrahls. Das Teilbild zeigt die Phasenanpassungsdynamik zwischen dem elektrischen Feld und der transversalen Polarisation entlang der x-Achse, die mit Hilfe des anomalen magnetischen Moments eine akkumulierte longitudinale Polarisation (Teilbild, unterste Zeile) induziert.