[論文レビュー] Plasma Wake Accelerators: Introduction and Historical Overview

V. Malka|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、プラズマウェーブフィールド加速器の包括的な導入と歴史的概要を提供しており、強力なレーザーまたは粒子ビームがプラズマ波を励起し、GV/mレベルの加速場を生成することで、コンパクトで高勾配の粒子加速を可能にする仕組みを詳述している。1970年代の理論的提言から、電子および陽子加速の実験的実証に至るまでの主要なマイルストーンを強調し、今後のコンパクトな自由電子レーザーおよびTeVスケールの衝突型加速器への可能性を示している。

ABSTRACT

Fundamental questions on the nature of matter and energy have found answers thanks to the use of particle accelerators. Societal applications, such as cancer treatment or cancer imaging, illustrate the impact of accelerators in our current life. Today, accelerators use metallic cavities that sustain electricfields with values limited to about 100 MV/m. Because of their ability to support extreme accelerating gradients, the plasma medium has recently been proposed for future cavity-like accelerating structures. This contribution highlights the tremendous evolution of plasma accelerators driven by either laser or particle beams that allow the production of high quality particle beams with a degree of tunability and a set of parameters that make them very pertinent for many applications.

研究の動機と目的

• 分野に新しく入門する研究者に対して、プラズマウェーブフィールド加速の基礎的理解を提供すること。
• 理論的提言から実験的実現に至るまでの、レーザーおよび粒子ビーム駆動プラズマウェーブフィールド加速の歴史的発展をたどること。
• コンパクトなプラズマ構造内でGV/mレベルの加速勾配を実現するにあたり、技術的および科学的マイルストーンを強調すること。
• 高エネルギー物理学、医療、光源技術分野における将来の応用可能性を概説すること。
• 次世代粒子加速器およびコンパクトな放射源のための変革的技術として、プラズマウェーブフィールド加速を位置づけること。

提案手法

• 強力なレーザーパルスの非線形ポンドモティブ力によるプラズマ波の励起の理論的分析により、相対論的プラズマ波と高い加速勾配を生じる。
• 相対論的プラズマ波フレームワークと電子プラズマ周波数 $\omega_{\mathrm{pe}} = \sqrt{\frac{n_{\mathrm{e}}e^{2}}{m_{\mathrm{e}}\varepsilon_{\mathrm{0}}}}$ を用いた、レーザー駆動プラズマウェーブフィールドにおける電子の捕獲と加速のモデリング。
• 超相対論的電子ビームおよび陽子バンチの自己変調を含む、電子および陽子ビーム駆動プラズマウェーブフィールドの数値シミュレーション。
• 高パワー・レーザー（例：40 TWのVulcanレーザー）を用いた実験的検証により、プラズマ内で100 GV/mを超える加速勾配を生成・測定。
• 電子スプライススペクトロメータ、コherent遷移放射線用のストリークカメラ、電気的光センサーなどの診断技術を用いて、電子および陽子ビームを特徴付ける。
• レーザー・ウェーブフィールドおよび粒子・ウェーブフィールド加速方式を応用し、ミリメートルからメートルスケールのプラズマ構造内で、高品質で準単エネルギーの電子ビームを実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてプラズマ波を励起し、コンパクトな粒子加速器を可能にするGV/mレベルの加速場を維持できるか？
• RQ2 自己注入や捕獲といった、レーザー・ウェーブフィールド加速器における高品質な電子ビーム生成を可能にする主な物理的メカニズムは何か？
• RQ3 高エネルギー加速に適したプラズマウェーブフィールドを励起する能力において、電子ビームと陽子ビームドライバーはどのように比較できるか？
• RQ4 相対論的電子または陽子バンチの自己変調が、プラズマ波への効率的なエネルギー移動をもたらす条件は何か？
• RQ5 将来の衝突型加速器および光源に向け、プラズマウェーブフィールド加速器を多GeVおよびTeVスケールにスケーリングする見通しはいかなるものか？

主な発見

• 非線形領域において、レーザー・ウェーブフィールド加速が100 GV/mを超える加速勾配を実証し、ミリメートルスケールの距離で電子加速を可能にした。
• プラズマウェーブフィールドへの自己注入により、コンパクトな10 Hzレーザーシステムで数十MeVまでの準単エネルギー電子ビームが生成された。
• 陽子駆動プラズマウェーブフィールド加速は、1段階でTeVスケールのエネルギー獲得が可能な道筋として提唱され、シミュレーションによりセンチメートルスケールのプラズマで数GeVの加速が可能であると示された。
• レーザー・ウェーブフィールド加速された電子からのベータトロン放射線が、1ピコ秒未満の持続時間およびマイクロメートルスケールの横断的サイズで観測され、高分解能の1ショットX線位相イメージングが可能になった。
• CERNのAWAKE実験では、陽子駆動プラズマウェーブフィールド加速が実証され、初の陽子ビームは2016年に予定され、3〜4年間の実験プログラムが計画された。
• 現在、レーザー・プラズマ加速器は、コンパクトで高輝度のX線源および第5世代光源の有力候補として認識されており、医療、材料科学、超高速科学分野への応用が期待されている。