[論文レビュー] Beam dynamics challenges in linear colliders based on laser-plasma accelerators

C. B. Schroeder, C. Benedetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、レーザー・プラズマ加速器（LPAs）に基づくマルチTeV線形衝突機におけるビームダイナミクスの課題を調査し、ビーム形状技術を用いることで非線形バブル領域における安定的かつ高品質なビーム加速が可能であることを示している。主な課題として、横方向ビームホーディング、クーロン散乱、ベタトロン放射が挙げられ、これらは100 nm未満のエミッタンスにおいて1%未塔のエミッタンス成長とパワー損失を引き起こすが、これにより、効率的でコンactなマルチTeVプラズマ線形加速器が実現可能である。

ABSTRACT

In this paper we discuss design considerations and beam dynamics challenges associated with laser-driven plasma-based accelerators as applied to multi-TeV-scale linear colliders. Plasma accelerators provide ultra-high gradients and ultra-short bunches, offering the potential for compact linacs and reduced power requirements. We show that stable, efficient acceleration with beam quality preservation is possible in the nonlinear bubble regime of laser-plasma accelerators using beam shaping. Ion motion, naturally occuring for dense beams (i.e., low emittance and high energy) severely damps transverse beam instabilities. Coulomb scattering by the background ions is considered and it is shown that the strong focusing in the plasma strongly suppresses scattering-induced emittance growth. Betatron radiation emission from the transverse motion of the beam in the plasma will result in beam power loss and energy spread growth; however for sub-100 nm emittances, the beam power loss and energy spread growth will be sub-percent for multi-TeV-class plasma linacs.

研究の動機と目的

• 超高勾配および超短パルスを特徴とするレーザー・プラズマ加速器（LPAs）を用いたマルチTeV線形衝突機の実現可能性を評価すること。
• プラズマベース加速器に特有のビームダイナミクスの課題（横方向不安定性、イオン散乱、ベタトロン放射）を特定および分析すること。
• これらの課題が高エネルギープラズマ線形加速器におけるビーム品質と性能に制限を及えるかどうかを評価すること。
• 非線形バブル領域におけるビーム形状技術により、エミッタンス成長を最小限に抑えた安定的かつ効率的な加速が可能であることを示すこと。
• 陽電子加速およびビームストラールング制約を回避するための代替手段としてγγ衝突機の有効性を評価すること。

提案手法

• 非線形バブル領域におけるレーザー・プラズマ加速器のビームダイナミクスを、解析的および数値的シミュレーションを用いてモデル化すること。
• ウィtnessビームをワケアフィールドに一致させるためのビーム形状技術を適用し、横方向ホーディング不安定性を抑制すること。
• イオン応答モデルを用いて、高密度・低エミッタンスビームにおいてイオン運動が自然に横方向ビーム不安定性を減衰させることを示すこと。
• クーロン散乱断面積およびエミッタンス成長の式を導出し、強いプラズマ焦点化によって抑制されることを示すこと。
• シンクロtron放射の式を用いてベタトロン放射によるパワー損失およびエネルギー散乱の増加を計算し、ビームエミッタンスおよびプラズマ密度に依存することを示すこと。
• 高磁場（量子）領域における光度スケーリングおよびビームストラールングを評価し、陽電子加速の課題を解消するためのγγ衝突機の提案を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー・低エミッタンスプラズマ加速器において、横方向ビームホーディングは抑制可能か？
• RQ2 マルチTeVプラズマ線形加速器において、バックグラウンドイオンによるクーロン散乱がビームエミッタンスをどの程度増大させるか？
• RQ3 100 nm未塔のエミッタンスビームにおいて、ベタトロン放射によるエネルギー散乱およびパワー損失はどの程度顕著か？
• RQ4 現在のビーム形状技術を用いても、マルチTeVエネルギーのプラズマ加速器でビーム品質を維持できるか？
• RQ5 ビームストラールングおよび陽電子加速の課題を回避するため、γγ衝突機はe+e−衝突機の代替として実現可能か？

主な発見

• 高密度・低エミッタンスビームにおけるイオン運動は、自然に横方向ビーム不安定性を減衰させ、エミッタンスおよびエネルギー散乱の増大なしに安定的かつ効率的な加速を可能にする。
• 強いプラズマ焦点化のおかげで、クーロン散乱に起因するエミッタンス成長は抑制され、マルチTeVクラスのプラズマ線形加速器では1 nm未塔のエミッタンス成長が実現される。
• 100 nm未塔のエミッタンスにおいて、ベタトロン放射によるビームパワー損失およびエネルギー散乱の増加は、マルチTeVプラズマ線形加速器で1%未塔にとどまる。
• 壁面電力あたりの光度（L/P）は、短パルスおよび低エミッタンスに伴い、特に高磁場ビームストラールング領域で良好にスケーリングされる。
• コンプトン逆散乱を用いたγγ衝突機は、ビームストラールングおよび陽電子加速の制約を排除できるが、高平均出力の中赤外レーザーが必須となる。
• 非線形バブル領域におけるビーム形状技術により、ビーム品質の維持が可能なマルチTeVプラズマ線形加速器の実現が可能であり、将来的な衝突機統合研究を支援する。