The dynamics of energetic particles in strong electromagnetic fields can be heavily influenced by the energy loss arising from the emission of radiation during acceleration, known as radiation reaction. When interacting with a high-energy electron beam, today's lasers are sufficiently intense to explore the transition between the classical and quantum radiation reaction regimes. We present evidence of radiation reaction in the collision of an ultrarelativistic electron beam generated by laser-wakefield acceleration (ϵ>500 MeV) with an intense laser pulse (a0>10). We measure an energy loss in the postcollision electron spectrum that is correlated with the detected signal of hard photons (γ rays), consistent with a quantum description of radiation reaction. The generated γ rays have the highest energies yet reported from an all-optical inverse Compton scattering scheme, with critical energy ϵcrit>30 MeV.2 MoreReceived 21 July 2017Revised 9 December 2017DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011020Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article's title, journal citation, and DOI.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasGamma-ray generation in plasmasHigh intensity laser-plasma interactionsLaser wakefield accelerationQuantum electrodynamicsUltrafast opticsPlasma PhysicsAccelerators & BeamsAtomic, Molecular & OpticalParticles & Fields

Abstract Electron–positron pair plasmas represent a unique state of matter, whereby there exists an intrinsic and complete symmetry between negatively charged (matter) and positively charged (antimatter) particles. These plasmas play a fundamental role in the dynamics of ultra-massive astrophysical objects and are believed to be associated with the emission of ultra-bright gamma-ray bursts. Despite extensive theoretical modelling, our knowledge of this state of matter is still speculative, owing to the extreme difficulty in recreating neutral matter–antimatter plasmas in the laboratory. Here we show that, by using a compact laser-driven setup, ion-free electron–positron plasmas with unique characteristics can be produced. Their charge neutrality (same amount of matter and antimatter), high-density and small divergence finally open up the possibility of studying electron–positron plasmas in controlled laboratory experiments.

Substantial energy loss in an electron beam passing through a high-intensity laser provides clear evidence of the radiation reaction, shedding light on how electrons interact with extreme electromagnetic fields.

Polarised particle beams are indispensable for the study of spin-dependent processes . The LEAP (Laser Electron Acceleration with Polarisation) project at DESY aims to demonstrate the acceleration of polarised electrons in the extremely high fields enabled by laser plasma accelerators to create high energy electron beams in ultra-compact footprint. In this proof of principle experiment, spin-polarised electron beams with energies of tens of MeV will be generated in a sub-millimetre long plasma source. For electron beams of such energies, Compton transmission polarimetry is the ideal method to measure the polarisation. Gamma rays produced by bremsstrahlung are transmitted through an iron absorber core magnetised by a surrounding solenoid, with rate and energy spectrum depending on the relative orientation of the gamma spin and the magnetisation direction of the iron. The transmission asymmetry with respect to the direction of the magnetisation is proportional to the initial electron polarisation. In this contribution, an overview of the LEAP project is presented, detailing the setup of the polarimeter as well as its implementation and commissioning status.