[论文解读] ALEGRO input for the 2020 update of the European Strategy

B. Cros, P. Muggli|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用 12

一句话总结

本文提出先进线性国际对撞机（ALIC），一种基于先进和创新加速器（ANA）技术（如激光尾场、离子体尾场、结构尾场和介电激光加速）的多TeV e⁺/e⁻ 对撞机。主要贡献在于制定实现紧凑级高梯度、高质量电子束的路线图，关键里程碑包括以千赫兹重复率实现5–10 GeV束流，以及为未来对撞机规模应用开发诊断、模拟和集成工具。

ABSTRACT

Advanced and Novel Accelerators (ANAs) can provide acceleration gradients orders of magnitude greater than conventional accelerator technologies, and hence they have the potential to provide a new generation of more compact, high-energy machines. In view of the great promise of ANAs, and the substantial effort worldwide to develop them, the Advanced LinEar collider study GROup, ALEGRO, was formed at the initiative of the ICFA ANA panel. ALEGRO aims to foster studies on accelerators based on ANAs for applications to high-energy physics, with the ambition of proposing a machine that would address the future goals of particle physics. This document summarizes the current view of the international community on this topic. It proposes a list of priorities that the community would like to invest effort in over the next five to ten years.

研究动机与目标

• 建立全球路线图，以开发能够实现多TeV能量的先进和创新加速器（ANAs），为未来高能物理研究提供支持。
• 识别并优先考虑实现未来e⁺/e⁻对撞机所需的四种ANA技术（LWFA、PWFA、SWFA和DLA）的关键研发挑战。
• 实现专用ANA设施的建设，以可靠地产生多GeV量级、具备对撞机水平质量（能量展宽小、稳定性高、可重复性好）的电子束。
• 通过低能ANA示范装置，推动超快X射线科学、医学和工业应用的社会衍生效益。
• 确保模拟工具、诊断系统和束流控制系统在国际协作中的兼容性与互操作性。

提出的方法

• 利用现有及即将投入运行的设施，如kBELLA、EuPRAXIA、AWAKE、FACET II和FlashFWD，实现单级ANA在多GeV量级的性能演示。
• 开发高功率激光器（平均功率达kW–MW级别），以支持kHz重复率运行，实现与ALIC兼容的束流生产。
• 实施束流加载和束团整形技术，以最小化能量展宽并最大化ANAs级间能量传递效率。
• 在高梯度、低击穿率（10⁻⁷）条件下，设计并测试用于SWFA和DLA的介电结构，以满足对撞机运行要求。
• 集成先进诊断工具与快速模拟工具，实现实时监测和建模超短、高亮度束团。
• 建立协作框架，实现代码共享、输入/输出格式标准化，以及不同模拟平台间物理模块的互操作性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为将单级ANA束流（1–10 GeV）扩展至多TeV能量并实现对撞机水平束流质量，所需的关键技术里程碑是什么？
• RQ2 如何利用高平均功率激光器在LWFA和DLA中实现kHz重复率运行？
• RQ3 为实现稳定、高梯度加速并最小化击穿和能量展宽，等离子体和介电结构的最佳参数是什么？
• RQ4 在FACET II和未来欧洲设施中，如何产生足够质量的e⁺和e⁻束团，以支持PWFA和LWFA实验？
• RQ5 需要哪些模拟和诊断工具，以建模和控制基于ANA加速器的超短、高亮度束团？

主要发现

• 在未来5–10年，成功实现从少量ANA级联中产生稳定、多GeV量级电子束，是首要目标。
• AWAKE（已运行）、FACET II（2020年开始运行）和EuPRAXIA（设计研究阶段）等设施对实现高质量、高可靠性的5–10 GeV束流至关重要。
• kBELLA旨在利用高平均功率激光器，在kHz重复率下实现10 GeV电子束，这是迈向ALIC的关键一步。
• 用于SWFA和DLA的介电结构已在击穿条件下完成测试，显示出可替代或升级CLIC组件并实现更高梯度的潜力。
• FlashFWD和EuPRAXIA专注于实现SASE FEL性能，使用1–5 GeV束流，证明了高亮度、低发射度束流的可行性。
• 协同开发具备标准化库和数据格式的模拟工具，对未来的ALIC设计与优化至关重要。