[論文レビュー] Report of Snowmass 21 Accelerator Frontier Topical Group 6 on Advanced Accelerators

C. Geddes, Maeve R. Hogan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2022

Planetary Science and Exploration被引用数 5

ひとこと要約

Snowmass 2021レポートは、特にレーザー駆動およびビーム駆動プラズマ加速器と高度構造加速器を用いた先進的加速器技術を提案し、10 GeV/m以上の超高加速勾配を達成することで、15 TeVまでのe⁺e⁻およびγγ衝突型加速器を小型化・低コスト化・高エネルギー効率化できる道筋を示している。多GeV級ビームの生成、ビーム品質、FEL発振の分野で進展が確認され、将来的な衝突型加速器と近い将来の応用実現のため、統合的設計研究と強化されたR&Dを要請している。

ABSTRACT

The Snowmass 2021 Accelerator Frontier topical group \# 6 on Advanced Accelerator Concepts, covers new R\&D concepts for particle acceleration, generation, and focusing. Based on community input, this report describes how leveraging these concepts to efficiently harness the interaction of charged particles with extremely high electromagnetic fields at very high frequencies can provide the keys to reaching ultra high acceleration gradients (GeV/m and beyond). These methods have potential to reduce the dimensions, C0$_2$ footprint, and costs of future high energy physics machines, with added potential to reduce power consumption for future e+e- and $γ- γ$ machines to and beyond 15 TeV energies. Techniques range from laser and beam driven plasma and advanced structure accelerators to advanced phase space manipulations and generation of beams with extreme parameters.

研究の動機と目的

• 小型化、低コスト化、CO₂排出量削減を実現するため、将来の高エネルギー物理学衝突型加速器を可能にする高勾配粒子加速技術の発展を図ること。
• 先進的加速器における低分散、小エネルギー分散、高繰り返しレートの維持という主な課題に対処すること。
• 先進的加速器原理に基づく将来のe⁺e⁻およびγγ衝突型加速器のための統合的 collider パarameterセットを策定し、設計研究を支援すること。
• 2016年の先進的加速器開発戦略に準拠し、ロードマップを更新することで、米国および国際的なR&Dプログラムを強化すること。
• 科学、医療、産業分野における近い将来の応用を、高エネルギー物理学への道のりのステップとして活用し、多様な人材の分野への参画を促進すること。

提案手法

• 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（LWFA, PWFA, SWFA）を活用し、10 GeV/mを超える加速勾配を達成すること。
• 高輝度で短パルスのビームを用いることで、単位ビーム出力当たりの光度を向上させ、実用的なエネルギー回収を可能にすること。
• 位相空間の高度な制御およびビーム形状制御技術を導入し、複数段階にわたる加速過程におけるエネルギー分散および分散の増大を最小限に抑えること。
• 将来の衝突型加速器要件を満たすために、超伝導RFリニアックおよび高平均出力レーザーなどのドライバ技術を統合すること。
• 主要技術の検証を目的とした統合的設計研究および中間エネルギー実証施設（例：20–80 GeV）を実施すること。
• 高性能PICコードを用いた計算モデリングを発展させ、プラズマおよび誘電体構造のダイナミクスをシミュレートおよび最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマベース加速器は、10 GeV/m以上の勾配を達成・維持可能であり、nmクラスのビーム分散を保持できるか？
• RQ2 ビーム形状制御および高度な位相空間制御技術により、プラズマおよび誘電体構造における複数段階加速の過程でエネルギー分散の増大を防げるか？
• RQ3 将来の衝突型加速器のドライバとして、高平均出力レーザーとSRFリニアックを最適に統合する構成は何か？
• RQ4 先進的加速器技術を用いて、15 TeVを超えるエネルギー範囲をカバーするコンactで高光度なe⁺e⁻およびγγ衝突型加速器を設計可能か？
• RQ5 近い将来の施設および中間エネルギー実証施設は、概念実証実験から完全な衝突型加速器設計への移行をどのように可能にするか？

主な発見

• 単一段階プラズマ加速器で多GeV級電子ビームが実際に生成され、高勾配加速の実現可能性が裏付けられた。
• プラズマウェイクフィールドにおける陽電子加速が実験的に実証され、e⁺e⁻衝突型加速器への重要な一歩が踏み出された。
• レーザー駆動およびビーム駆動プラズマベース自由電子レーザー（FEL）が発振に成功し、高品質でコherentなビームが得られたことが確認された。
• 高勾配誘電体構造および改善されたビームローディング技術が、プラズマ領域を超えた安定的で高効率な加速の可能性を示した。
• 15 TeV以上のエネルギー範囲をカバーするe⁺e⁻およびγγ衝突型加速器の統合的パrameterセットは、現在実現可能であり、活発に開発が進められている。
• 国際社会、特にCERNおよびDESYを含む機関が先進的加速器技術に投資しており、ヨーロッパでは147 FTE年および315万CHの資金がAAC活動に割り当てられている。