伽馬射線也會“轉圈圈”？全光學逆康普頓散射產生渦旋伽馬射線

在高能物理的世界里，伽馬射線向來以“直線狂飆”的硬核形象著稱——作為能量最高、穿透力最強的光子，它的傳播路徑筆直且難以調控，是核物理探測、天體觀測等領域的“關鍵選手”。而在低能波段，從可見光到激光，早已解鎖“渦旋”這一特殊技能：這類攜帶軌道角動量的渦旋光，能像陀螺一樣旋轉前進，在光學操控、量子通信、精密測量等領域綻放異彩。

遺憾的是，將渦旋特性拓展至伽馬射線能區，長期以來是國際強場物理領域的“硬骨頭”。一方面，伽馬射線波長極短、穿透力極強，傳統光學測量手段難以捕捉其相位信息；另一方面，經典輻射理論無法準確刻畫高能光子的軌道角動量特征，缺乏可操作的實驗驗證標準，導致高能渦旋伽馬射線始終停留在“理論可設想、實驗難證實”的階段，限制了其在前沿領域的應用探索。

渦旋γ光子藝術構想圖

近日，這一僵局被打破。上海交通大學暗物質物理全國重點實驗室、激光等離子體教育部重點實驗室張杰院士團隊閆文超長聘教軌副教授，與西安交通大學栗建興教授聯合研究團隊，在《Physical Review Letters》發表重磅成果——基于全光學逆康普頓散射機制，國際首次在強場量子電動力學（QED）實驗中產生了MeV能區渦旋伽馬光子，為高能光子研究開辟了全新路徑。

這項實驗的成功，源于精巧的創新設計。研究團隊依托上海交大“多參數全光康普頓散射強場QED實驗平臺”（EPATCS），采用超短超強激光驅動的激光尾場加速技術獲取高品質電子源，同時引入攜帶明確軌道角動量的拉蓋爾高斯模式激光作為對撞光束。當相對論電子束與渦旋激光發生逆康普頓散射時，不僅將光子能量提升至MeV量級，更通過角動量守恒，讓對撞激光的軌道角動量成功傳遞給伽馬光子。

為解決“難驗證”的核心問題，團隊提出了全新實驗判據：在QED框架下，渦旋光子的傳播可視為動量空間中圓錐面分布的平面波疊加，必然伴隨橫向動量發散，表現為統計意義上的展寬橫向角分布。這一設計避開了直接測量相位的難題，通過對比實驗驗證：渦旋激光條件下產生的伽馬射線角發散顯著大于高斯激光情形，且該差異無法用經典輻射機制解釋，成為渦旋伽馬光子存在的直接實驗證據。

實驗裝置示意圖

這項成果的意義遠超實驗本身。它不僅為研究光子角動量在高能輻射、強場QED過程中的傳遞機制提供了關鍵實驗依據，更搭建起渦旋伽馬光子與核物理研究的橋梁——未來有望應用于核共振選擇性激發、核結構探測等前沿方向。同時，實驗依托的EPATCS平臺，還具備向醫療領域如新型腫瘤放療技術、國家重大需求如激光聚變診斷拓展的潛力，將為多學科交叉創新提供支撐。

從低能光的“渦旋舞步”到伽馬射線的“旋轉突破”，這項全球獨有的實驗不僅填補了高能渦旋輻射領域的空白，更讓人類對光子角動量的認知延伸至更高能量尺度，為強場物理、核物理、量子力學等領域的基礎研究注入新的活力。

EPATCS平臺

該實驗在 “多參數全光康普頓散射強場QED實驗平臺”（簡稱EPATCS）開展，在國家重點研發計劃（項目負責人：閆文超，項目編號：2021YFA1601700）的資助下，閆文超課題組依托上海交大“重明激光等離子體實驗裝置（CLEF）”搭建EPATCS平臺。EPATCS平臺解決了強場QED實驗研究中電子品質控制、極端光場調控、高精度時空同步、輻射精密診斷等多個關鍵技術挑戰，為全面系統的開展全光康普頓散射強場QED相關研究奠定了基礎。該平臺主要圍繞三大方向拓展研究：一是面向世界科技前沿，聚焦基礎物理領域——作為國內首個強場QED專用線站，開展QED效應驗證、智能AI激光電子加速、極端光場調控、渦旋γ光子產生及其核反應等研究，為軸子等暗物質候選粒子的探索提供支撐；二是面向人民生命健康，深耕醫療應用領域——基于精準調控的γ射線與電子束，探索新型腫瘤放療技術，推動放療精準化發展；三是面向國家重大需求，服務激光聚變診斷——提供涵蓋 THz、中紅外、X 射線、γ射線的寬波段輻射源，支撐相關領域核心技術突破。

科研人員在“多參數全光康普頓散射強場QED實驗平臺”EPATCS上開展實驗

該研究得到了國家重點研發計劃（No. 2021YFA1601700，No. 2024YFA1610900）、教育部學科交叉突破計劃(JYB2025XDXM204)、國家自然科學基金(Grants No. 12074251, No. 11991073, No. 12425510, No. U2267204, No. 12441506, No. 12225505)、中國科學院戰略性先導專項(Grants No. XDA25010500, No. XDA25030400, No. XDA25010100)、上海市經信委智能百團百項(Grand No. 2025-GZL-RGZN-BTBX-02029)、以及陽陽發展基金等項目的支持。

編輯：Zoey

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號