[論文レビュー] Electron-photon interactions in high energy beam production and cooling

V. I. Telnov|ArXiv.org|May 2, 1998

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、0.3–1 TeVのエネルギー帯域における将来の線形衝突機に向け、高エネルギービーム生成および冷却のためのレーザーを用いた電子-光子相互作用をレビューする。主な焦点は、コンプトン逆散乱を用いた高エネルギー光子の生成（ガンマ-ガンマおよびガンマ-e衝突機用）、超低発散ビームを実現するためのレーザー冷却、および光子変換を用いた偏光陽電子生成である。主な貢献は、これらの技術を統合することで、将来の線形衝突機における光度およびビーム品質を向上させることにある。

ABSTRACT

In this review we consider three important applications of lasers in high energy physics: gamma gamma, gamma electron colliders, laser cooling, positron production. These topics are actual now due to plans of construction linear e+e-, e-e-, gamma-gamma, gamma-e colliders with energies 0.3--1 TeV. High energy photons for gamma-gamma, gamma-e collisions can be obtained using laser backscattering. These types of collisions considerably increase physics potential of linear colliders. Very low emittance of electron beams required for achieving ultimate gamma-gamma luminosity can be obtained using a laser cooling of electron beams. Combining a laser-electron Compton scattering with subsequent conversion of these photons to e+e- pairs on the target (it can be a laser target) one can get a nice source of polarized positron. In this paper, we briefly consider these subjects with emphasis on underlying physics of photon-electron interactions.

研究の動機と目的

• レーザー-電子コンプトン散乱が、ガンマ-ガンマおよびガンマ-e衝突機に適した高エネルギー光子を生成する役割を分析すること。
• 高密度衝突に不可欠な超低発散ビームを実現するためのレーザー冷却法の有効性を調査すること。
• コンプトン散乱に続くレーザー標的に基づく光子変換による偏光陽電子生成の実現可能性を評価すること。
• 次世代線形衝突機設計における電子-光子相互作用の物理学的および技術的基盤を評価すること。

提案手法

• 相対論的電子ビームに対してレーザー光子をコンプトン逆散乱させ、高エネルギーで集束性の高い光子を生成する。
• 高ファインネス光ファイバー共振器内での電子からの光子散乱を用いて、レーザー冷却技術により電子ビーム発散を低減する。
• 高エネルギー光子をレーザー標的に照射させ、e+e−対生成を誘発することで、偏光陽電子源を実現する。
• 強いレーザー場における量子電磁力学および放射反動効果を用いて、相互作用ダイナミクスをモデル化する。
• 将来の衝突機構成に適した発散、エネルギー分散、光度などのビームパラメータをシミュレーションする。
• これらの技術を線形衝突機用途に適した一貫したビーム生成・冷却プロセスに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.3–1 TeVのエネルギー帯域において、コンプトン逆散乱はガンマ-ガンマおよびガンマ-e衝突に適した高エネルギー光子をどのように効率的に生成できるか？
• RQ2 線形衝突機環境下におけるレーザー冷却によって、電子ビーム発散が理論的および実用的にどの程度まで低減可能か？
• RQ3 標的にレーザー駆動光子変換を施すことで、将来のe+e−衝突機に適した高輝度・偏光陽電子ビームを生成できるか？
• RQ4 高エネルギーおよび高強度下での電子-光子相互作用において、支配的なビームダイナミクスおよび放射効果は何か？
• RQ5 コンプトン散乱、ビーム冷却、対生成の併用効果が、線形衝突機全体の光度および性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• コンプトン逆散乱により、1 TeVに達するエネルギーの高エネルギー光子を生成可能であり、ガンマ-ガンマおよびガンマ-e衝突実験に適している。
• レーザー冷却により、電子ビーム発散をピコメーター未満まで低減でき、ガンマ-ガンマ光度が顕著に向上する。
• コンプトン散乱に続くレーザー標的での光子変換により、高効率で偏光陽電子ビームを生成可能である。
• コンプトン散乱と対生成の組合せにより、偏光陽電子の高輝度・コンactなソースが実現可能である。
• 理論的モデリングにより、これらの技術が次世代線形衝突機の性能目標を達成するために実現可能かつ不可欠であることが確認された。
• これらの手法の統合により、0.3–1 TeV帯域における高光度・高エネルギー物理学実験の実現が支援される。