Development of optical and γ-ray diagnostics for a nonlinear Compton scattering experiment with a multi-PW laser

Abstract

Optical and γ-ray diagnostics has been developed for a nonlinear Compton scattering (NCS) between an ultra-relativistic electron beam and an ultrahigh intensity laser. With the advancement of PW laser technology, strong field physics entered a new physics regime of strong field quantum electrodynamics. Based on the laser wakefield acceleration scheme, a multi-GeV electron beam could be produced by driving a He gas target with a PW laser. When this ultra-relativistic GeV electron beam scatters with an ultrahigh intensity laser beam, multi-photon Compton scattering, i.e., NCS, can occur, generating γ-rays beyond the cutoff energy of linear Compton scattering. In order to perform the NCS experiment, the spatiotemporal synchronization between the electron-driving main laser and the scattering laser is critical for the realization of Compton scattering. With the installation of two optical delay monitoring systems the temporal synchronization between the two laser beams was monitored and controlled, which allowed the successful demonstration of Compton scattering and provided the success rate of Compton scattering as high as 40%. Generated γ-rays from the Compton scattering were diagnosed using two scintillation detectors – single crystal LYSO for imaging and pixelated LYSO for energy spectrum. The gamma ray energy spectrum generated by NCS was retrieved using two methods - the first method based on the NCS cross section (cross-sectional method) and the other by the simultaneous iterative reconstruction technique. In order to apply the cross-sectional method, it is necessary to know the laser intensity during the scattering. The laser intensity during the scattering and number of scattered electrons were obtained by reconstructing a gamma-ray profile. Finally, the gamma-ray energy spectrum was calculated using the cross-sectional method. In addition, the gamma-ray energy spectrum was obtained independently from the response of the pixelated gamma-ray scintillator using the simultaneous iterative reconstruction technique. The reconstructed result showed that the gamma-ray energy spectrum extended up to several hundred MeV, which is well beyond the cutoff energy of linear Compton scattering, confirming the realization of NCS. Through this study, the particle interaction under the strong field was experimentally investigated. In addition, the gamma ray generated by NCS is anticipated to be used as a high-energy gamma-ray source.

이 논문은 고에너지 전자와 초강력 레이저 사이의 비선형 컴프턴 산란을 실험적으로 구현하고 분석하는데 필요한 광학 및 감마선 진단계를 다룬다. PW 레이저 기술의 발전으로 강한 전기장 하에서의 양자전기역학이 본격적으로 연구되기 시작했다. 레이저 웨이크필드 가속 방식을 기반으로 PW레이저로 헬륨 가스 표적에 입사하여 수 GeV 에너지ㅡ이 전자빔을 생성하였다. 이 전자빔이 초강력 레이저와 산란될 때 다중 광자 컴프톤 산란, 즉 비선형 컴프톤 산란이 발생하여 선형 컴프톤 산란의 한계에너지 보다 강한 에너지의 감마선을 생성할 수 있다. 비선형 컴프톤 산란 실험을 수행하기 위해서는 전자를 가속하는 레이저와 충돌시키고자 하는 레이저의 시공간 동기화가 준비되어야 한다. spatial interferometer와 spectral interferometer로 구성된 실시간 두 레이저 사이의 시간 지연 측정 시스템을 도입하여 컴프톤 산란 실험을 성공적으로 수행하였고 이때 성공률을 40 %로 상승시켰다. 컴프톤 산란에서 생성된 감마선 진단을 위해 공간분포를 측정하기 위한 신틸레이터와 에너지 스펙트럼을 측정하기 위한 신틸레이터가 준비되었다. 비선형 컴프톤 산란에 의해 생성된 감마선 에너지 분포는 두가지 방법으로 구하였다. 첫번째는 비선형 컴프톤 산란 단면적에 기초하여 계산하는 것이며 두번째는 동시 반복 재구성 기법을 사용하는 것이다. 우선 비선형 컴프톤 산란 단면적을 이용하기 위해서는 산란 시 레이저의 세기를 알아야 한다. 산란 중의 레이저의 세기와 산란한 전자수는 전자와 충돌 레이저를 (x, y, z, t)에 구현하여 구하였으며, 이를 바탕으로 비선형 컴프톤 산란 단면적을 이용하여 감마선 에너지 분포를 계산하였다. 다른 한편으로 동시 반복 재구성 기법을 이용하여 픽셀화된 신틸레이터의 측정결과를 분석하여 감마선 에너지 분포를 얻었다. 두 방법으로 구한 감마선 에너지 스펙트럼이 선형 컴프톤 산란의 한계 에너지를 초과하는 수백 MeV까지 있었음을 확인함으로써 비선형 컴프톤 산란이 실험적으로 일어나는 것을 검증하였다. 이 연구를 통해 강한 전기장 하에서의 양자전기역학의 빛과 입자 사이의 상호작용을 실험적으로 연구할 수 있었다.