[論文レビュー] Linear colliders based on laser-plasma accelerators

C. Benedetti, S. S. Bulanov+41 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Laser Design and Applications被引用数 2

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、1 km程度の長さで数TeVのエネルギーに達する、コンパクトで高勾配の線形衝突機用のレーザー・プラズマ加速器（LPA）の開発ロードマップを提唱している。統合的設計研究、高性能レーザー・システム、および近い将来の応用を概説し、8 GeVで高品質な電子ビームが得られ、段階的LPAモジュールが実証された。

ABSTRACT

Laser-plasma accelerators are capable of sustainingaccelerating fields of 10–100 GeV/m, 100–1000 times that ofconventional technology and the highest fields produced by any ofthe widely researched advanced accelerator concepts. Laser-plasmaaccelerators also intrinsically accelerate short particle bunches,several orders of magnitude shorter than that of conventionaltechnology, which leads to reductions in beamstrahlung and, hence,savings in the overall power consumption to reach a desiredluminosity. These properties make laser-plasma accelerators apromising accelerator technology for a more compact, less expensivehigh-energy linear collider providing multi-TeV polarized leptons.In this submission to the Snowmass 2021 Accelerator Frontier, wediscuss the motivation for a laser-plasma-accelerator-based linearcollider, the status of the field, and potential linear colliderconcepts up to 15 TeV. We outline the research and developmentpath toward a collider based on laser-plasma accelerator technology,and highlight near-term and mid-term applications of this technologyon the collider development path. The required experimentalfacilities to carry out this research are described. We concludewith community recommendations developed during Snowmass.

研究の動機と目的

• 1 km程度の長さで多TeVエネルギーを達成できる、コンパクトな線形衝突機を、レーザー・プラズマ加速を用いて開発する。
• 安定的で高輝度の電子および陽電子ビームを実現するLPA技術を発展させ、衝突機用途に適応させる。
• 高平均出力のレーザー・システムを強化し、高繰り返しレートでのLPA運用を可能にする。
• 医療、産業、基礎科学分野における近い将来の応用を可能にし、コンパクトなLPA源を活用する。
• 連携された国家的投資と施設を活用して、米国が先進加速器研究分野でリーダーシップを維持する。

提案手法

• 1–100 GeV/mの加速場を維持するため、レーザー・プラズマ加速器を用い、従来のRF技術の10–1000倍の高勾配を実現する。
• 複数のプラズマ段階を経てエネルギー増幅を達成するため、段階的LPAモジュールを実装する。
• 超高輝度で安定したビームを実現するための新しい注入技術を開発する。
• プラズマダイナミクス、ビームダイナミクス、放射過程をシミュレートするための高度なシミュレーションツールを統合する。
• インジェクタ、陽電子源、ビーム冷却、ビーム配送装置などの補助システムを設計し、プラズマビームと互換性を持つようにする。
• 高繰り返しレート（kHz）の新しいレーザー施設を建設し、衝突機性能に向けた精密な研究開発を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてレーザー・プラズマ加速器が、線形衝突機用途に適した安定的で高輝度の電子および陽電子ビームを実現できるか？
• RQ2 衝突機規模のLPAシステムに適した、高平均出力・高繰り返しレート運用を可能にするために、どのようなレーザードライバ技術が必要か？
• RQ3 ダンピングリングやビーム配送システムなどのビームライン部品と、一貫的に結合可能な統合的設計フレームワークはどのようなものか？
• RQ4 LPA技術の開発を加速させ、社会的インパクトを実証するための近い将来の応用は何か？
• RQ5 多TeV衝突機設計に向け、複雑なプラズマおよびビームダイナミクスをモデル化するため、シミュレーションツールをどのように発展させるか？

主な発見

• 1段階のLPAから8 GeVのエネルギーで高品質な電子ビームが生成され、高勾配加速が実証された。
• 2つのLPAモジュールのステージングが成功裏に実証され、複数のプラズマ段階を経たエネルギー増幅が可能になった。
• 新たな注入技術が開発され、プラズマベース加速器における超高輝度ビームが達成された。
• ビームの破壊（Beam Break-Up）の安定化およびプラズマ構造内での効率的な陽電子加速の実現に顕著な進展が得られた。
• 高平均出力・高繰り返しレートのレーザー・システムが発展し、効率性および信頼性の分野で重要な進歩が達成された。
• X線およびガンマ線源のコンパクト化が実験的に実証され、画像診断および線entially 放射線治療への応用が可能になった。