[论文解读] 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 2

一句话总结

本白皮书提出了一项发展激光等离子体加速器（LPA）的路线图，旨在将其作为紧凑型、高梯度的未来直线对撞机驱动器，可在约1公里内实现多TeV能量。该路线图涵盖了综合设计研究、激光系统升级以及近期应用，已在8 GeV能量下实现高质量电子束，并成功演示了分阶段LPA模块。

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.

研究动机与目标

• 利用激光等离子体加速技术开发高能、紧凑型直线对撞机，实现约1公里内多TeV能量的目标。
• 推进LPA技术，以实现稳定、高亮度的电子束和正电子束，适用于对撞机应用。
• 提升高平均功率激光系统，以支持高重复频率LPA运行。
• 通过紧凑型LPA源实现近期和中期在医学、工业和基础科学领域的应用。
• 通过协调一致的国家投资和设施，确保美国在先进加速器研发领域的领导地位。

提出的方法

• 利用激光等离子体加速技术，维持1–100 GeV/m的加速场强，比传统射频技术高出10–1000倍。
• 采用分阶段LPA模块，通过多个离子 plasma 阶段实现能量增益。
• 开发新型注入技术，以实现超高的束流亮度和束流稳定性。
• 整合先进的模拟工具，用于等离子体动力学、束流动力学和辐射过程的模拟。
• 设计辅助系统，包括注入器、正电子源、束流冷却和束流输运系统，以实现与等离子体束的兼容性。
• 建设新的高重复频率（kHz）激光设施，以支持实现对撞机性能的精密研发。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光等离子体加速器如何实现稳定、高亮度的电子束和正电子束，以适用于直线对撞机应用？
• RQ2 实现高平均功率、高重复频率运行的LPA对撞机系统，需要何种激光驱动器技术？
• RQ3 需要何种综合设计框架，以实现等离子体加速器与阻尼环、束流输运系统等束流线组件的协同耦合？
• RQ4 哪些近期应用可加速LPA技术的发展并展示其社会影响？
• RQ5 如何推进模拟工具，以对多TeV对撞机设计中的复杂等离子体和束流动力学进行建模？

主要发现

• 在单阶段LPA中成功产生8 GeV能量的高质量电子束，证明了高梯度加速的可行性。
• 成功演示了两个LPA模块的分阶段集成，实现了通过多个等离子体阶段的能量增益。
• 开发了新型注入技术，实现了等离子体加速器中超高的束流亮度。
• 在稳定束流破裂和高效正电子加速于等离子体结构方面取得显著进展。
• 高平均功率、高重复频率激光系统取得进展，关键成果体现在效率和可靠性方面。
• 近期应用，包括紧凑型X射线和伽马射线源，已通过实验验证，已具备在成像和放射治疗中应用的准备。