国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）分析测量标准研究部[野中秀彦，研究主任] 平义隆，国立自然科学研究所分子科学研究所放射成像测量研究小组研究员，国立大学间研究所法人[所长：河合真纪]（以下简称“IMS”） 加藤正宏教授，国立量子放射线科学技术研究所 [主席：平野俊夫]（以下简称“IMS”） “QST”）东海量子束应用研究中心 Taketo Hayakawa，高级研究员等。圆偏振光高强度激光与高能电子的碰撞(激光康普顿散射) 具有螺旋形状伽马射线被生成。
近年来，随着激光技术的进步，出现了一种具有螺旋形状的独特光线，光漩涡。光学涡旋的一个特点是，当受到分子或材料的照射时，它们可以进行普通光无法完成的诸如“扭曲”之类的操作。尽管可产生的光学涡旋的波长（能量）范围正在扩大，兆电子伏特能量区的伽马射线光学涡旋（伽马射线涡旋）尚未生成。如果可以通过与原子和原子核的新颖相互作用产生伽马射线涡旋，同位素新的工业技术可以在分析和无损检测中实现。
理论计算结果发现，当圆偏振高强度激光与高能电子发生康普顿散射时，电子在高强度激光产生的强电磁场中发生散射，产生高能伽马射线涡旋。到目前为止，已经提出了利用光学涡旋激光器和高能电子康普顿散射产生高能伽马射线涡旋的理论方法，但新发现的方法可以在不使用光学涡旋激光器的情况下产生伽马射线涡旋。由于使用普通激光设备可以稳定地产生高强度的圆偏振激光，我们发现使用圆偏振高强度激光进行激光康普顿散射是一种实用且有前景的产生伽马射线涡旋的方法。
这项研究的详细内容可以在2017年7月10日（英国时间）的英国科学杂志上找到科学报告
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| 新发现的伽马射线涡流是如何产生的 |
光具有粒子性和波动性。当我们将光视为波时，连接波峰和波谷的表面称为波前。在激光等普通光束中，垂直于光传播方向的波前周期性地独立存在，如图1左侧所示，但光学科学的最新进展使得产生光学涡旋成为可能，这是一种具有螺旋波前的独特光，如图1右侧所示。当光涡旋应用于金属、聚合物等时，可以利用涡旋的特性来“扭曲”物体，这就是研究的原因正在进行材料的微加工。对光涡旋与物质之间相互作用的研究才刚刚开始，目前正在进行理论研究以确定哪些新的相互作用是可能的。
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图1 正常光波前（左）和螺旋波前的光学涡旋（右）示意图
波前显示的箭头表示光电场的方向。 |
不同波长的光可以影响不同的物体，因此产生光学涡旋的技术正在逐渐扩展到更宽的波长范围。然而，对于光中波长最短、与原子和原子核相互作用的伽马射线来说，尚未产生光涡旋（伽马射线涡旋）。因此，正在寻求产生伽马射线涡旋的方法。
AIST一直在研究和开发激光康普顿散射技术产生的伽马射线的工业用途，用于建筑物和大型机械的无损检查以及同位素分析。2009 年 3 月 6 日 AIST 新闻稿）。如果能够在这里产生伽马射线涡旋，那么原子和原子核之间的新相互作用就有望实现，新的分析方法也将成为可能，但传统的激光康普顿散射技术还无法产生伽马射线涡旋。与此同时，产业技术研究院与分子科学研究所合作，致力于开发利用高能电子束产生光的技术以及充分利用圆偏振光的光谱技术。此外，QST还进行了高强度激光器的研发以及原子核与伽马射线相互作用的研究。因此，我们充分利用产业技术研究院、分子科学研究所和QST所拥有的技术和知识，开始研究产生伽马射线涡流的新方法。
这项研究得到了日本学术振兴会海外研究奖学金计划和科学研究补助金（基础研究 B，研究项目：26286081，15H03665）的支持。
激光康普顿散射伽马射线（能量从几兆电子伏到几百兆电子伏）是由激光光子康普顿散射成高能（通常是几十兆电子伏到几千兆电子伏）电子束而产生的（图2（左））。这次，我们想到如果用于激光康普顿散射的激光是圆偏振且高强度的，极强的激光会产生极强的电磁场，从而产生伽马射线涡旋（图2（右））。为了研究其可行性，他们进行了详细处理强电磁场中电子和光之间相互作用的理论计算，发现伽马射线涡旋是在特定条件下产生的。到目前为止，人们已经知道使用高强度激光的激光康普顿散射会产生伽马射线，其能量是普通激光康普顿散射获得的伽马射线的整数倍（两倍、三倍等），但从未想到这些会变成光学涡旋，而这次他们首次发现了这一事实并从理论上验证了这一事实。
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| 图2普通激光康普顿散射伽马射线（左）和圆偏振高强度激光引起的激光康普顿散射伽马射线示意图（右） |
图3为从光束正面观察时，普通激光康普顿散射伽马射线和圆偏振高强度激光产生的激光康普顿散射伽马射线强度分布的理论计算结果。普通激光康普顿散射伽马射线是普通光（伽马射线），因此它们具有中心高强度的分布（图3中n = 1）。在圆偏振高强度激光产生的激光-康普顿散射伽马射线中，两倍能量的伽马射线的强度在中心较低（图3中n=2）。这种圆形强度分布证明伽马射线正在旋转。此外，可以看出，能量三倍的伽马射线由于螺旋进入更大的涡旋而形成更大的环（图3中n = 3）。该结果表明，能量为普通激光康普顿散射伽马射线整数倍的伽马射线是伽马射线涡旋。
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图3 法向伽马射线(n=1)和伽马射线涡旋(n=2, 3)的强度分布
伽马射线涡旋具有光学涡旋的环形强度分布特征。 |
通过圆偏振高强度激光的康普顿散射产生伽马射线涡流的机制被认为如下。如果我们将光视为光子，则光涡旋（伽马射线涡旋）的光子比普通伽马射线光子更大角动量另一方面，在圆偏振激光中，各个激光光子的角动量方向以行进方向为轴顺时针或逆时针排列。在高强度激光引起的激光康普顿散射中，一个电子吸收多个激光光子，然后发射一个伽马射线光子。发射的伽马射线光子的角动量是吸收的激光光子的角动量之和。如果高强度激光是圆偏振的，则吸收的激光光子的角动量是对齐的，因此发射的伽马射线光子也具有很大的角动量，形成伽马射线涡旋。
伽马射线与原子和原子核之间的相互作用被认为具有不同的特性，具体取决于伽马射线具有的角动量的大小。目前使用伽马射线的无损同位素分析利用了每种同位素强烈吸收并重新发射具有其特定能量的伽马射线的特性，并且仅根据伽马射线能量信息来识别同位素。然而，如果能够利用伽马射线涡流产生具有各种角动量的伽马射线，则预计将不仅基于能量而且还基于角动量信息来识别更多种同位素。具有大角动量和单个同位素吸收强度的伽马射线涡旋尚未被研究过，是未来研究的主题。如果通过理论和实验阐明这种关系，或许就有可能实现前所未有的同位素分析和无损检测技术。
伽马射线涡旋的产生及其利用是完全未开发的领域。作为日本这项研究的领跑者，我们将稳步推进伽马射线涡旋的产生、伽马射线涡旋与物质之间新型相互作用的探索和测量及其工业应用。目前，产业技术研究所、分子科学研究所和QST正在共同计划利用QST拥有的高强度激光器进行伽马射线涡旋产生的示范实验，联合研究预计最早于明年开始。