Numerical study of positron production in laser-plasma interaction with double-layer targets via non-linear Breit-Wheeler Process

High-intensity lasers ionize matter, inducing particle acceleration and various radiation types, like positrons. Laser-driven positron sources offer advantages over conventional ones, including ultra-short duration, higher energy, density, and yield, along with compactness and reduced radioactive risk. The scheme based on non-linear Breit-Wheeler pair production (NBWPP) promises positrons with superior qualities but requires high laser intensities. The unconventional double-layer target (DLT), featuring a low-density near-critical layer and a thin solid-density film, can enhance conditions for NBWPP. This thesis investigates positron production via NBWPP using DLTs and an experimental facilities’ laser intensity of 4.75×10^22 W/cm^2. Addressing the complexity of laser-plasma interaction requires numerical simulations. For this purpose, codes coupling kinetic plasma simulation using the particle-in-cell (PIC) method with stochastic processes description through a Monte Carlo (MC) approach are established tools. 2D simulations by the open-source PIC-MC code SMILEI are performed to study laser-plasma interaction physics, positron production, and DLT parameter effects. Simulations reveal the critical phases: electron acceleration, laser focusing and reflection, and its interaction with accelerated electrons and produced photons. DLT parameters impact the positron production efficiency and beam properties. An optimal DLT configuration is identified, featuring a micrometer-thick heavy substrate, like lead, and a 40 µm long low-density layer. This produces positrons with temporal spread of 20 fs, divergence of 29^◦, peak energy of 342 MeV, and average density of 4.4×10^17 cm^−3, confirming the potential of a NBWPP-based positron source. An analysis of the numerical tool performance in simulating NBWPP involves comparing results with theoretical predictions and examining assumptions and approximations. The tool generally provides accurate results, although criticalities in setting parameters, statistics, and non-conserved quantities can become significant in specific circumstances.

Lasers ad alta intensità ionizzano la materia causando accelerazione di particelle e generazione di varie radiazioni, tra cui positroni. Le sorgenti di positroni laser-driven offrono, rispetto a quelle convenzionali, durata ultra-corta, maggiore energia, densità e resa, compattezza e minore rischio radioattivo. Lo schema basato sulla produzione di coppie non lineare Breit-Wheeler (NBWPP) promette positroni con qualità superiori ma richiede alte intensità laser. Il target a due strati (DLT), uno a bassa densità quasi-critica e uno sottile a densità solida, offre condizioni favorevoli per NBWPP. Questa tesi indaga la produzione di positroni tramite NBWPP usando i DLT e un’intensità laser di 4.75×10^22 W/cm^2. Affrontare la complessità dell’interazione laser-plasma richiede simulazioni numeriche. A tal fine, i codici che accoppiano la simulazione cinetica del plasma mediante il metodo particle-in-cell (PIC) alla descrizione di processi stocastici tramite un approccio Monte Carlo (MC) sono strumenti consolidati. Simulazioni 2D con il codice SMILEI sono eseguite per studiare la fisica dell’interazione laser-plasma, la produzione di positroni e gli effetti dei parametri del DLT. Le simulazioni rivelano le fasi critiche: accelerazione degli elettroni, focalizzazione e riflessione del laser, e sua interazione con elettroni accelerati e fotoni prodotti. I parametri del DLT influenzano l’efficienza di produzione dei positroni e le loro proprietà. È individuata una configurazione ottimale del DLT, con substrato pesante, come il piombo, spesso pochi µm e uno strato a bassa densità lungo 40 µm. Ciò produce positroni con spread temporale di 20 fs, divergenza di 29^◦, energia di picco di 342 MeV, e densità media di 4.4×10^17 cm^−3, confermando il potenziale di una sorgente di positroni basata su NBWPP. Un’analisi delle prestazioni dello strumento numerico nella simulazione di NBWPP coinvolge il confronto tra risultati e previsioni teoriche e la verifica di assunzioni e approssimazioni. Lo strumento fornisce in generale risultati accurati, sebbene criticità nei parametri di settaggio, statistica e quantità non conservate possano diventare significative in circostanze specifiche.