[論文レビュー] ALEGRO input for the 2020 update of the European Strategy

B. Cros, P. Muggli|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、レーザー駆動プラズマウェーブフォローアクceleration（LWFA）、プラズマウェーブフォローアクセレレーション（PWFA）、構造ウェーブフォローアクセレレーション（SWFA）、誘電体レーザー加速（DLA）を含む先進的・新規の加速器（ANA）技術を基盤とする、多テルバーレイ・e⁺/e⁻衝突型加速器「アドバンスド・リニア国際衝突型加速器（ALIC）」を提案する。主な貢献は、コンパクトな段階で高勾配・高品質な電子ビームを達成するためのロードマップであり、その中で5–10 GeVのビームをkHz繰り返しレートで生成する段階的目標や、将来の衝突型加速器実装に向けた診断・シミュレーション・統合ツールの開発が含まれる。

ABSTRACT

Advanced and Novel Accelerators (ANAs) can provide acceleration gradients orders of magnitude greater than conventional accelerator technologies, and hence they have the potential to provide a new generation of more compact, high-energy machines. In view of the great promise of ANAs, and the substantial effort worldwide to develop them, the Advanced LinEar collider study GROup, ALEGRO, was formed at the initiative of the ICFA ANA panel. ALEGRO aims to foster studies on accelerators based on ANAs for applications to high-energy physics, with the ambition of proposing a machine that would address the future goals of particle physics. This document summarizes the current view of the international community on this topic. It proposes a list of priorities that the community would like to invest effort in over the next five to ten years.

研究の動機と目的

• 将来の高エネルギー物理学に向け、多テルバーレイのエネルギーに達する能力を持つ先進的・新規加速器（ANAs）の開発を促進するグローバルなロードマップを策定すること。
• 将来のe⁺/e⁻衝突型加速器実現に不可欠な4つのANA技術（LWFA、PWFA、SWFA、DLA）における、主要な研究開発課題を特定・優先順位付けすること。
• 多GeV級の電子ビームを、衝突型加速器水準の品質（エネルギー分散が小さく、安定で再現性がある）で安定的に供給できる専用のANA施設の構築を可能にすること。
• 低エネルギーのANAデモンストレータを活用して、超高速X線科学、医療、産業応用分野における社会的波及効果を促進すること。
• 国際共同研究において、シミュレーションツール、診断技術、ビーム制御システムの相互運用性と互換性を確保すること。

提案手法

• kBELLA、EuPRAXIA、AWAKE、FACET II、FlashFWD などの既存および将来の施設を活用し、多GeVレベルの単一段階ANA性能を実証すること。
• ALICに適合するビーム生成を実現するため、kW～MW級の平均出力を持つ高パワー・レーザーの開発を推進すること。
• ビームローディングおよびビーム形状制御技術を導入し、ANA段階におけるエネルギー分散の低減とエネルギー効率の最大化を実現すること。
• 衝突型加速器運用に適した高勾配・低破壊率（10⁻⁷）条件下で、SWFAおよびDLA用の誘電体構造の設計・試験を実施すること。
• リアルタイムで超短・高輝度ビームをモニタリング・モデル化できる、高度な診断技術および高速シミュレーションツールを統合すること。
• シミュレーションプラットフォーム間での物理モジュールの相互運用性を確保するため、コード共有、入出力フォーマットの標準化、相互運用性の枠組みを確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝突型加速器水準のビーム品質を維持したまま、単一段階のANAビーム（1–10 GeV）を多テルバーレイエネルギーにスケールアップするための主要な技術的マイルストーンは何か？
• RQ2 高平均出力レーザーを用いたLWFAおよびDLAにおいて、kHz繰り返しレートでの運用をどのように達成できるか？
• RQ3 破壊とエネルギー分散を最小限に抑え、安定した高勾配加速を実現するための最適なプラズマおよび誘電体構造のパラメータは何か？
• RQ4 FACET II や将来のヨーロッパ施設のような施設で、PWFAおよびLWFA実験を可能にする十分な品質のe⁺およびe⁻ビームをどのように生成できるか？
• RQ5 ANAベースの加速器における超短・高輝度ビームをモデル化・制御するための、必要なシミュレーションおよび診断ツールは何か？

主な発見

• 今後5–10年間における主な目標は、少数のANA段階からも強固で多GeV級の電子ビームを実証することである。
• AWAKE（稼働中）、FACET II（2020年稼働予定）、EuPRAXIA（設計調査中）といった施設は、高品質・高信頼性の5–10 GeVビームを達成する上で不可欠である。
• kBELLAは、高平均出力レーザーを用いて、kHz繰り返しレートで10 GeV級の電子ビームを供給することを目標としており、これはALICへの重要な一歩である。
• SWFAおよびDLA用の誘電体構造は破壊条件下で試験され、CLIC部品の置き換えやアップグレードに向けた高い勾配性能を示している。
• FlashFWDおよびEuPRAXIAは、1–5 GeVビームを用いてSASE FEL性能を達成することを目的としており、高輝度・低発散ビームの実現可能性を実証している。
• 将来のALIC設計および最適化に不可欠な、標準化されたライブラリおよびデータフォーマットを備えたシミュレーションツールの共同開発が不可欠である。