Ultrafast polarization of an electron beam in an intense bichromatic laser field

Here, we demonstrate the radiative polarization of high-energy electron beams in collisions with ultrashort pulsed bichromatic laser fields. Employing a Boltzmann kinetic approach for the electron distribution allows us to simulate the beam polarization over a wide range of parameters and determine the optimum conditions for maximum radiative polarization. Those results are contrasted with a Monte Carlo algorithm where photon emission and associated spin effects are treated fully quantum mechanically using spin-dependent photon emission rates. The latter method includes realistic focusing laser fields, which allows us to simulate a near-term experimentally feasible scenario of an 8 GeV electron beam scattering from a 1 PW laser pulse and provide a measurement that would verify the ultrafast radiative polarization in high-intensity laser pulses that we predict. Aspects of spin-dependent radiation reaction are also discussed, with spin polarization leading to a measurable (5%) splitting of the energies of spin-up and spin-down electrons

A deep Natural Language Inference predictor without language-specific training data

In this paper we present a technique of NLP to tackle the problem of inference relation (NLI) between pairs of sentences in a target language of choice without a language-specific training dataset. We exploit a generic translation dataset, manually translated, along with two instances of the same pre-trained model - the first to generate sentence embeddings for the source language, and the second fine-tuned over the target language to mimic the first. This technique is known as Knowledge Distillation. The model has been evaluated over machine translated Stanford NLI test dataset, machine translated Multi-Genre NLI test dataset, and manually translated RTE3-ITA test dataset. We also test the proposed architecture over different tasks to empirically demonstrate the generality of the NLI task. The model has been evaluated over the native Italian ABSITA dataset, on the tasks of Sentiment Analysis, Aspect-Based Sentiment Analysis, and Topic Recognition. We emphasise the generality and exploitability of the Knowledge Distillation technique that outperforms other methodologies based on machine translation, even though the former was not directly trained on the data it was tested over.Comment: Conference: ICIAP202

Identifying the electron–positron cascade regimes in high-intensity laser-matter interactions

Strong-field quantum electrodynamics predicts electron-seeded electron-positron pair cascades when the electric field in the rest-frame of the seed electron approaches the Sauter-Schwinger field, i.e. $\eta = E_{RF}/E_S \sim 1$. Electrons in the focus of next generation multi-PW lasers are expected to reach this threshold. We identify three distinct cascading regimes in the interaction of counter-propagating, circularly-polarised laser pulses with a thin foil by performing a comprehensive scan over the laser intensity (from $10^{23}$ -- $5\times10^{24}$\ Wcm$^{-2}$) and initial foil target density (from $10^{26}$ -- $10^{31}$\ m$^{-3}$). For low densities and intensities the number of pairs grows exponentially. If the intensity and target density are high enough the number density of created pairs reaches the relativistically-corrected critical density, the pair plasma efficiently absorbs the laser energy (through radiation reaction) and the cascade saturates. If the initial density is too high, such that the initial target is overdense, the cascade is suppressed by the skin effect. We derive a semi-analytical model which predicts that dense pair plasmas are endemic features of these interactions for intensities above $10^{24}$ Wcm$^{-2}$ provided the target's relativistic skin-depth is longer than the laser wavelength. Further, it shows that pair production is maximised in near-critical-density targets, providing a guide for near-term experiments

Polarized QED cascades

By taking the spin and polarization of the electrons, positrons and photons into account in the strong-field QED processes of nonlinear Compton emission and pair production, we find that the growth rate of QED cascades in ultra-intense laser fields can be substantially reduced. While this means that fewer particles are produced, we also found them to be highly polarized. We further find that the high-energy tail of the particle spectra is polarized opposite to that expected from Sokolov-Ternov theory, which cannot be explained by just taking into account spin-asymmetries in the pair production process, but results significantly from 'spin-straggling'. We employ a kinetic equation approach for the electron, positron and photon distributions, each of them spin/polarization-resolved, with the QED effects of photon emission and pair production modelled by a spin/polarization dependent Boltzmann-type collision operator. For photon-seeded cascades, depending on the photon polarization, we find an excess or a shortage of particle production in the early stages of cascade development, which provides a path towards a controlled experiment. Throughout this paper we focus on rotating electric field configuration, which represent an idealized model and allows for a straightforward interpretation of the observed effects

Erratum : Author correction: Relativistic doppler-boosted γ-rays in high fields (Scientific reports (2018) 8 1 (9155))

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Ion acceleration with radiation pressure in quantum electrodynamic regimes

The radiation pressure of next generation high-intensity lasers could efficiently accelerate ions to GeV energies. However, nonlinear quantum-electrodynamic effects play an important role in the interaction of these lasers with matter. We show that these quantum-electrodynamic effects lead to the production of a critical density pair-plasma which completely absorbs the laser pulse and consequently reduces the accelerated ion energy and efficiency by 30-50%

Formation and evolution of post-solitons following a high intensity laser-plasma interaction with a low-density foam target

The formation and evolution of post-solitons has been discussed for quite some time both analytically and through the use of particle-in-cell (PIC) codes. It is however only recently that they have been directly observed in laser-plasma experiments. Relativistic electromagnetic (EM) solitons are localised structures that can occur in collisionless plasmas. They consist of a low-frequency EM wave trapped in a low electron number-density cavity surrounded by a shell with a higher electron number-density. Here we describe the results of an experiment in which a 100 TW Ti:sapphire laser (30 fs, 800 nm) irradiates a 0:03 gcm^-3 TMPTA foam target with a focused intensity I_l = 9:5x10^17 Wcm^-2. A third harmonic (lambda_probe ~ 266 nm) probe is employed to diagnose plasma motion for 25 ps after the main pulse interaction via Doppler-Spectroscopy. Both radiation-hydrodynamics and 2-D PIC simulations are performed to aid in the interpretation of the experimental results. We show that the rapid motion of the probe critical-surface observed in the experiment might be a signature of post-soliton wall motion

An entropic approach to magnetized nonlocal transport and other kinetic phenomena in high-energy-density plasmas

Les simulations hydrodynamiques pour la physique de haute densité d'énergie ainsi que pour la fusion par confinement inertiel exigent une description détaillée de flux d'énergie. Le mécanisme principal est le transport électronique, qui peut être un phénoméne non local qui doit être décrit avec des modèles de Fokker-Planck, stationnaires et simplifiés dans les codes hydrodynamiques à grande échelle. Mon travail thèse est consacré au développement d'un nouveau modèle de transport non local basé sur l'utilisation d'une méthode de fermeture entropique pour la résolution des premiers moments de l'équation de Fokker-Planck agrémentée d'un opérateur de collision dédié. Une telle fermeture permet une bonne résolution des fortes anisotropies de la fonction de distribution électronique dans les régimes où le développement d'instabilités électrostatiques à petite échelle le requiert. Ce modèle aux moments (M1) est comparé avec succès au modèle de Schurtz, Nicolaï et Busquet (SNB), référent dans le domaine du transport électronique non local. Ce modèle, basé sur l'hypothèse d'une faible anisotropie de la fonction de distribution sous-jacente induisant une relation de fermeture polynomiale (P1), utilise un opérateur de collision simplifié dont nous avons proposé une amélioration. Après avoir considéré plusieurs configurations typiques de transport de chaleur, nous avons montré que le modèle M1 ultidimensionnel peut prendre naturellement en compte des effets d'un plasmas magnétisés sur le transport électronique. De plus, ce modèle permet de calculer des fonctions de distribution utiles aux études cinétiques comme la stabilité du plasma dans la zone de transport. Nous confirmons avec notre modèle que le transport d'énergie électronique peut fortement modifier l'amortissement des ondes de Langmuir et des ondes acoustiques ; contrairement aux modèles non locaux simplifiés, M1 décrit les modifications de la fonction de distribution et l'amortissement des ondes du plasma. La structure du modèle permet également de prendre en compte naturellement des champs magnétiques autogénérés, qui jouent un rôle crucial dans des simulations multidimensionnelles. Ces champs magnétiques pourraient également être étudiés pour concentrer l'énergie dans les schémas d'ignition. Enfin, nous montrons que le modèle M1 reproduit les résultats de la théorie locale élaborée par Braginskii pour tous les niveau de magnétisation et propose de nouveaux résultats pour le régime non local. Ce travail constitue une première validation de l'utilisation des fermetures entropiques, dans les régimes de faibles anisotropies, qui va s'ajouter aux tests dans les régimes fortement anisotropes.Hydrodynamic simulations in high-energy-density physics and inertial con nement fusion require a detailed description of energy uxes. The leading mechanism is the electron transport, which can be a nonlocal phenomenon that needs to be described with quasistationary and simplified Fokker-Planck models in large scale hydrodynamic codes. My thesis is dedicated to the development of a new nonlocal transport model based on a fast-moving-particles collision operator and on a first moment Fokker-Planck equation, simplified with an entropic closure relation. Such a closure enables a better description of the electron distribution function in the limit of high anisotropies, where small scale electrostatic instabilities could be excited. This new model, so called M1, is successfully compared with the well known nonlocal electron transport model proposed by Schurtz, Nicolaï and Busquet, using different collision operators, and with the reduced Fokker-Planck model, based on a small-anisotropies polynomial closure relation (P1). Several typical configurations of heat transport are considered. We show that the M1 entropic model may operate in two and three dimensions and is able to account for electron transport modifications in external magnetic fields. Moreover, our model enables to compute realistic electron distribution functions, which can be used for kinetic studies, as for the plasma stability in the transport zone. It is demonstrated that the electron energy transport may strongly modify damping of Langmuir and ion acoustic waves, while the simplified nonlocal transport models are not able to describe accurately the modifications of the distribution function and plasma wave damping. The structure of the M1 model allows to naturally take into account self-generated magnetic fields, which play a crucial role in multidimensional simulations. Moreover, magnetic fields could also be used for the focusing of energetic particles in alternative ignition schemes. The M1 model reproduces the results of the local transport theory in plasma, developed by Braginskii, in a broad range of degrees of magnetization and predicts new results in the nonlocal regime. This work constitutes a first validation of the entropic closure assumption in the weakly-anisotropic regime. It can be added to the existing tests, in the strongly-anisotropic regimes

An entropic approach to magnetized nonlocal transport and other kinetic phenomena in high-energy-density plasmas

Les simulations hydrodynamiques pour la physique de haute densité d'énergie ainsi que pour la fusion par confinement inertiel exigent une description détaillée de flux d'énergie. Le mécanisme principal est le transport électronique, qui peut être un phénoméne non local qui doit être décrit avec des modèles de Fokker-Planck, stationnaires et simplifiés dans les codes hydrodynamiques à grande échelle. Mon travail thèse est consacré au développement d'un nouveau modèle de transport non local basé sur l'utilisation d'une méthode de fermeture entropique pour la résolution des premiers moments de l'équation de Fokker-Planck agrémentée d'un opérateur de collision dédié. Une telle fermeture permet une bonne résolution des fortes anisotropies de la fonction de distribution électronique dans les régimes où le développement d'instabilités électrostatiques à petite échelle le requiert. Ce modèle aux moments (M1) est comparé avec succès au modèle de Schurtz, Nicolaï et Busquet (SNB), référent dans le domaine du transport électronique non local. Ce modèle, basé sur l'hypothèse d'une faible anisotropie de la fonction de distribution sous-jacente induisant une relation de fermeture polynomiale (P1), utilise un opérateur de collision simplifié dont nous avons proposé une amélioration. Après avoir considéré plusieurs configurations typiques de transport de chaleur, nous avons montré que le modèle M1 ultidimensionnel peut prendre naturellement en compte des effets d'un plasmas magnétisés sur le transport électronique. De plus, ce modèle permet de calculer des fonctions de distribution utiles aux études cinétiques comme la stabilité du plasma dans la zone de transport. Nous confirmons avec notre modèle que le transport d'énergie électronique peut fortement modifier l'amortissement des ondes de Langmuir et des ondes acoustiques ; contrairement aux modèles non locaux simplifiés, M1 décrit les modifications de la fonction de distribution et l'amortissement des ondes du plasma. La structure du modèle permet également de prendre en compte naturellement des champs magnétiques autogénérés, qui jouent un rôle crucial dans des simulations multidimensionnelles. Ces champs magnétiques pourraient également être étudiés pour concentrer l'énergie dans les schémas d'ignition. Enfin, nous montrons que le modèle M1 reproduit les résultats de la théorie locale élaborée par Braginskii pour tous les niveau de magnétisation et propose de nouveaux résultats pour le régime non local. Ce travail constitue une première validation de l'utilisation des fermetures entropiques, dans les régimes de faibles anisotropies, qui va s'ajouter aux tests dans les régimes fortement anisotropes.Hydrodynamic simulations in high-energy-density physics and inertial con nement fusion require a detailed description of energy uxes. The leading mechanism is the electron transport, which can be a nonlocal phenomenon that needs to be described with quasistationary and simplified Fokker-Planck models in large scale hydrodynamic codes. My thesis is dedicated to the development of a new nonlocal transport model based on a fast-moving-particles collision operator and on a first moment Fokker-Planck equation, simplified with an entropic closure relation. Such a closure enables a better description of the electron distribution function in the limit of high anisotropies, where small scale electrostatic instabilities could be excited. This new model, so called M1, is successfully compared with the well known nonlocal electron transport model proposed by Schurtz, Nicolaï and Busquet, using different collision operators, and with the reduced Fokker-Planck model, based on a small-anisotropies polynomial closure relation (P1). Several typical configurations of heat transport are considered. We show that the M1 entropic model may operate in two and three dimensions and is able to account for electron transport modifications in external magnetic fields. Moreover, our model enables to compute realistic electron distribution functions, which can be used for kinetic studies, as for the plasma stability in the transport zone. It is demonstrated that the electron energy transport may strongly modify damping of Langmuir and ion acoustic waves, while the simplified nonlocal transport models are not able to describe accurately the modifications of the distribution function and plasma wave damping. The structure of the M1 model allows to naturally take into account self-generated magnetic fields, which play a crucial role in multidimensional simulations. Moreover, magnetic fields could also be used for the focusing of energetic particles in alternative ignition schemes. The M1 model reproduces the results of the local transport theory in plasma, developed by Braginskii, in a broad range of degrees of magnetization and predicts new results in the nonlocal regime. This work constitutes a first validation of the entropic closure assumption in the weakly-anisotropic regime. It can be added to the existing tests, in the strongly-anisotropic regimes

Une approche entropique au transport non local et aux autres phénomènes cinétiques dans les plasmas à hautes densités d'énergie

Hydrodynamic simulations in high-energy-density physics and inertial con nement fusion require a detailed description of energy uxes. The leading mechanism is the electron transport, which can be a nonlocal phenomenon that needs to be described with quasistationary and simplified Fokker-Planck models in large scale hydrodynamic codes. My thesis is dedicated to the development of a new nonlocal transport model based on a fast-moving-particles collision operator and on a first moment Fokker-Planck equation, simplified with an entropic closure relation. Such a closure enables a better description of the electron distribution function in the limit of high anisotropies, where small scale electrostatic instabilities could be excited. This new model, so called M1, is successfully compared with the well known nonlocal electron transport model proposed by Schurtz, Nicolaï and Busquet, using different collision operators, and with the reduced Fokker-Planck model, based on a small-anisotropies polynomial closure relation (P1). Several typical configurations of heat transport are considered. We show that the M1 entropic model may operate in two and three dimensions and is able to account for electron transport modifications in external magnetic fields. Moreover, our model enables to compute realistic electron distribution functions, which can be used for kinetic studies, as for the plasma stability in the transport zone. It is demonstrated that the electron energy transport may strongly modify damping of Langmuir and ion acoustic waves, while the simplified nonlocal transport models are not able to describe accurately the modifications of the distribution function and plasma wave damping. The structure of the M1 model allows to naturally take into account self-generated magnetic fields, which play a crucial role in multidimensional simulations. Moreover, magnetic fields could also be used for the focusing of energetic particles in alternative ignition schemes. The M1 model reproduces the results of the local transport theory in plasma, developed by Braginskii, in a broad range of degrees of magnetization and predicts new results in the nonlocal regime. This work constitutes a first validation of the entropic closure assumption in the weakly-anisotropic regime. It can be added to the existing tests, in the strongly-anisotropic regimes.Les simulations hydrodynamiques pour la physique de haute densité d'énergie ainsi que pour la fusion par confinement inertiel exigent une description détaillée de flux d'énergie. Le mécanisme principal est le transport électronique, qui peut être un phénoméne non local qui doit être décrit avec des modèles de Fokker-Planck, stationnaires et simplifiés dans les codes hydrodynamiques à grande échelle. Mon travail thèse est consacré au développement d'un nouveau modèle de transport non local basé sur l'utilisation d'une méthode de fermeture entropique pour la résolution des premiers moments de l'équation de Fokker-Planck agrémentée d'un opérateur de collision dédié. Une telle fermeture permet une bonne résolution des fortes anisotropies de la fonction de distribution électronique dans les régimes où le développement d'instabilités électrostatiques à petite échelle le requiert. Ce modèle aux moments (M1) est comparé avec succès au modèle de Schurtz, Nicolaï et Busquet (SNB), référent dans le domaine du transport électronique non local. Ce modèle, basé sur l'hypothèse d'une faible anisotropie de la fonction de distribution sous-jacente induisant une relation de fermeture polynomiale (P1), utilise un opérateur de collision simplifié dont nous avons proposé une amélioration. Après avoir considéré plusieurs configurations typiques de transport de chaleur, nous avons montré que le modèle M1 ultidimensionnel peut prendre naturellement en compte des effets d'un plasmas magnétisés sur le transport électronique. De plus, ce modèle permet de calculer des fonctions de distribution utiles aux études cinétiques comme la stabilité du plasma dans la zone de transport. Nous confirmons avec notre modèle que le transport d'énergie électronique peut fortement modifier l'amortissement des ondes de Langmuir et des ondes acoustiques ; contrairement aux modèles non locaux simplifiés, M1 décrit les modifications de la fonction de distribution et l'amortissement des ondes du plasma. La structure du modèle permet également de prendre en compte naturellement des champs magnétiques autogénérés, qui jouent un rôle crucial dans des simulations multidimensionnelles. Ces champs magnétiques pourraient également être étudiés pour concentrer l'énergie dans les schémas d'ignition. Enfin, nous montrons que le modèle M1 reproduit les résultats de la théorie locale élaborée par Braginskii pour tous les niveau de magnétisation et propose de nouveaux résultats pour le régime non local. Ce travail constitue une première validation de l'utilisation des fermetures entropiques, dans les régimes de faibles anisotropies, qui va s'ajouter aux tests dans les régimes fortement anisotropes