[論文レビュー] Plasma Wakefield Accelerator Research 2019 - 2040: A community-driven UK roadmap compiled by the Plasma Wakefield Accelerator Steering Committee (PWASC)
このイギリスのロードマップは、2019年から2040年までの間、レーザー駆動およびビーム駆動プラズマウェイクフィールド加速器の研究を前進させる戦略的ビジョンを提示しており、コンパクトで高勾配の粒子および放射線源を実現するため、国家的な統合的投資を提唱している。施設整備、国際的協力、複数機関連携型資金配分を重視し、超高速科学、医学、高エネルギー物理学への応用を含む次世代加速器科学分野でイギリスを世界的なリーダーに位置づけることを目指している。
The acceleration gradients generated in a laser- or beam-driven plasma wakefield accelerator are typically three orders of magnitude greater than those produced by a conventional accelerator, and hence plasma accelerators can open a route to a new generation of very compact machines. In addition, plasma-based accelerators can generate beams with unique properties, such as tens of kiloamp peak currents, attosecond bunch duration, ultrahigh brightness and intrinsic particle beam-laser pulse synchronization. In this roadmap we review the status of plasma accelerator research in the UK. We outline potential applications, describe the research and development required to enable those applications, and discuss synergies with related areas of research. We also set-out the resources required to realise these ambitions and provide a timeline for advances in the key areas.
研究の動機と目的
- 国内投資が不足し国際的競争が高まる中で、イギリスのプラズマ加速器研究におけるリーダーシップの低下という脅威に対処すること。
- 大学、国立研究所、機関の研究者からなる急成長するイギリスのプラズマウェイクフィールド加速器コミュニティを、統一された戦略的ロードマップを通じて連携すること。
- コンパクトで高輝度のプラズマ加速器の前進を通じて、超高速科学、医療診断、高エネルギー物理学分野における変革的応用を実現すること。
- EuPRAXIA、AWAKE、FACET-IIといった主要国際プロジェクトにおいて、戦略的投資と協力を通じてイギリスが主導的役割を果たし続けることを保証すること。
- 新規加速器技術分野における博士課程学生および早期キャリア研究者を対象とした持続可能なトレーニング、移動支援、資金メカニズムを確立すること。
提案手法
- イギリスの大学、国立研究所（例：CLF、ASTeC）および加速器研究所を横断的に連携するため、国家的プラズマウェイクフィールド加速器調整委員会（PWASC）を設立する。
- イギリスの高平均出力レーザー分野における専門知識を活用し、中央レーザー施設（CLF）に、10 Hzを超える繰り返しレートと高いビーム安定性を備えた最新鋭のレーザー・プラズマ加速器施設を整備する。
- 基礎的研究および応用研究を目的とした、大学規模のレーザー・プラズマ加速器ラボ（例：SCAPAビームライン）の設立および運用を支援する。
- CLARA/ASTeCに、ビームダイナミクスおよび応用分野における高精度な研究を可能にする、専用のプラズマウェイクフィールドビームラインの開発を提言する。
- AWAKE Run 2（2021–2024年）やEuPRAXIAを含む欧州横断的イニシアチブなど、主要国際プログラムへのプログラム的資金支援を確保・拡大する。
- UKRIを通じて複数機関連携型資金メカニズムを整備し、プラズマ物理学、新規レーザー技術開発、応用指向イノベーションを網羅する横断的で統合的な研究を支援する。
実験結果
リサーチクエスチョン
- RQ1国際的投資が増加する中で、国内インfraストラクチャが不足する状況下でも、イギリスがプラズマウェイクフィールド加速器研究分野における世界的リーダーシップを維持できるか？
- RQ2科学的および産業的応用を想定した、レーザー駆動およびビーム駆動プラズマ加速器の安定的かつ高繰り返しレートでの運用を可能にするために、どのような国家的および機関的施設が必要か？
- RQ3EuPRAXIA、AWAKE、FACET-IIといった主要国際プロジェクトへの戦略的参加を通じて、イギリスが最大限のインパクトを発揮できるか？
- RQ4次世代研究者を育成し、イギリスの研究機関間での知識移転を確保するための、どのような制度的および資金メカニズムが必要か？
- RQ5基礎的プラズマ物理学から応用技術までをカバーするプラズマ加速器研究開発の全般を支援するため、複数機関連携の協働体制をどのように構築すべきか？
主な発見
- プラズマウェイクフィールド加速器は、従来の加速器と比較して3桁高い加速勾配を達成でき、センチメートルスケールの段階でGeV級の電子ビームを生成可能である。
- イギリスはプラズマ加速器研究分野で強い国際的評価を有しているが、国内投資とインfraストラクチャの不足により、その立場が脅かされている。
- 10 Hzを超える繰り返しレートと高いビーム安定性を備えた新規施設が、中央レーザー施設（CLF）に設置されることは、レーザー駆動プラズマ加速器研究を前進させるために不可欠である。
- AWAKE Run 2プログラム（2021–2024年）への支援は、イギリスがビーム駆動プラズマ加速器分野でリーダーシップを維持し、高エネルギー物理学への応用にアクセスする上で極めて重要である。
- 国家的な
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