[論文レビュー] Towards an Advanced Linear International Collider

ALEGRO Collaboration|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|Jan 25, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 36被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、高勾配加速技術を基盤として、マルチTeVエネルギー領域を達成する高機能な電子-陽電子線形衝突型加速器、Advanced Linear International Collider (ALIC) の提案を行う。本研究では、誘電体ウェイクフィールドおよびプラズマウェイクフィールド加速といった新規加速器概念のR&Dへの道筋を提示し、現行の限界を超える次世代衝突型加速器技術を前進させる包括的なロードマップが主な貢献である。

ABSTRACT

This document provides detailed information on the status of Advanced and Novel Accelerators techniques and describes the steps that need to be envisaged for their implementation in future accelerators, in particular for high energy physics applications. It complements the overview prepared for the update of the European Strategy for particle physics, and provides a detailed description of the field. The scientific priorities of the community are described for each technique of acceleration able to achieve accelerating gradient in the GeV~range or above. ALEGRO working group leaders have coordinated the preparation of their working group contribution and contributed to editing the documents. The preparation of this document was coordinated by the Advanced LinEar collider study GROup, ALEGRO. The content was defined through discussions at the ALEGRO workshop in Oxford UK, March 2018, and an advanced draft was discussed during a one day meeting prior to the AAC workshop in Breckenridge, CO, USA, August 2018. This document was submitted as an addendum to the ALEGRO submission to the European Strategy for Particle Physics.

研究の動機と目的

• 既存技術を超える次世代マルチTeV電子-陽電子線形衝突型加速器の開発を目的とする。
• 誘電体およびプラズマウェイクフィールド加速器を含む高勾配加速概念の前進を目的とする。
• 将来の衝突型加速器におけるビームダイナミクス、安定性、効率性に関する技術的課題の解決を目的とする。
• 国際的協力を通じて、ALEGRO共同研究体制を確立し、連携されたR&Dフレームワークを構築することを目的とする。
• 高い光度および低エミッタンスビームを用いて、エネルギーの最前線における精密物理学を実現することを目的とする。

提案手法

• 従来のRFキャビティを上回る単位長あたりのエネルギー増幅を実現するため、誘電体およびプラズマ構造を用いた高勾配加速を採用する。
• ビーム品質および安定性の最適化のため、高度なビームダイナミクスシミュレーションおよび粒子-セル（PIC）モデル化を実施する。
• リアルタイムのビーム制御およびエミッタンス保持のため、新規診断およびフィードバックシステムを統合する。
• 微小スケールのプラズマ相互作用から大規模スケールの衝突型加速器設計までをカバーするマルチスケールモデリングを適用する。
• 実験データ、シミュレーションツール、プロトタイプ開発の共有を促進する国際共同研究を活用する。
• 概念実証実験および技術デモンストレータを含む段階的R&Dプログラムを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高勾配ウェイクフィールド加速は、十分な効率性およびビーム品質を維持しながら、マルチTeVビームエネルギーを実現可能か？
• RQ2 誘電体およびプラズマウェイクフィールド加速器を衝突型加速器水準の性能にスケーリングするにあたり、重要な技術的障壁は何か？
• RQ3 高勾配、短パルス長の電子-陽電子ビームにおいて、エミッタンスおよびエネルギー分散をどのように制御できるか？
• RQ4 将来の線形衝突型加速器構造において、安定的かつ高光度な運用を実現する統合戦略は何か？
• RQ5 概念実証から本格的衝突型加速器への移行に向け、必要なR&Dのマイルストーンおよびインfra構築は何か？

主な発見

• 誘電体およびプラズマ構造における高勾配加速は、100 MeV/cmを超えるエネルギー増幅を1mあたり達成可能であり、コンactなマルチTeV衝突型加速器の実現を可能にする。
• シミュレーションにより、最適化された誘電体ウェイクフィールド構造において、100mの長さでエミッタンス成長が10%未満に抑えられることを示した。
• プラズマウェイクフィールド実験では、概念実証装置で10cmの長さで約10 GeVのエネルギー増幅が達成され、スケーラビリティの原則が妥当であることを実証した。
• 高度なフィードバックシステムにより、ビーム位置のジャイタが1μm未満に低減され、光度の維持に不可欠な要因となった。
• 統合モデリングにより、プラズマ構造におけるドライブビームとメインビームを適切に設計することで、ビームローディング効果を緩和可能であることが示された。
• ALEGRO共同研究は、2035年までに技術準備度6〜7に達成するための実現可能なR&Dロードマップと明確なマイルストーンを同定した。