Search for Vacuum Polarization using High Power Laser and XFEL

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H02879
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: Yamazaki Takayuki 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (40632360)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 素粒子実験 / X線 / 高性能レーザー

Outline of Final Research Achievements

The vacuum was excited by an intense electromagnetic field of 5e18 W/cm2 (equivalent to a magnetic field of 15,000 T) generated by focusing a high intensity laser (0.6 TW) synchronized with the SACLA XFEL to about 2 μm, and macroscopic refractive index changes were explored using the XFEL as a probe. During the 2019 beamtime, the intense laser was focused near the diffraction limit using wavefront-compensating optics, and the XFEL was focused using a Si beam shaper to suppress the increase in angular divergence. We performed a prototype experiment and obtained the world's first result of vacuum diffraction experiment that is 18 orders of magnitude closer to the prediction of quantum electrodynamics.

Free Research Field

ミュオン科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、LHC実験におけるヒッグス粒子の発見が単なる新粒子の発見ではなく真空の内部に潜むスカラー場を初めて実証したものであることに着目し、高強度電磁場によって真空を励起することにより真空内部を探るものである。同様の実験は従来、磁石を用いて行われてきたが、本研究では近年発達が目覚ましい大強度レーザーを用いるこで磁石よりはるかに協力な電磁場を発生させ、それと同期する高輝度X線自由電子レーザー（XFEL）という小さな構造を探るのに適したプローブを用いる全く新たな実験手法を確立した。これは今後SACLAの500TWレーザーや世界の大強度レーザー施設における同種の実験への先鞭をつける成果である。