[论文解读] Report of Snowmass 21 Accelerator Frontier Topical Group 6 on Advanced Accelerators

C. Geddes, Maeve R. Hogan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2022

Planetary Science and Exploration被引用 5

一句话总结

该Snowmass 2021报告提出，先进加速器概念——特别是激光驱动和束流驱动的等离子体加速以及先进结构加速——是实现超高梯度（≥10 GeV/m）的途径，从而实现紧凑、低成本且能效高的e⁺e⁻和γγ对撞机，能量上限达15 TeV。报告展示了在多GeV束流生成、束流品质以及FEL受激发射方面取得的进展，并呼吁开展集成化设计研究并加强研发，以实现未来对撞机及近期应用。

ABSTRACT

The Snowmass 2021 Accelerator Frontier topical group \# 6 on Advanced Accelerator Concepts, covers new R\&D concepts for particle acceleration, generation, and focusing. Based on community input, this report describes how leveraging these concepts to efficiently harness the interaction of charged particles with extremely high electromagnetic fields at very high frequencies can provide the keys to reaching ultra high acceleration gradients (GeV/m and beyond). These methods have potential to reduce the dimensions, C0$_2$ footprint, and costs of future high energy physics machines, with added potential to reduce power consumption for future e+e- and $γ- γ$ machines to and beyond 15 TeV energies. Techniques range from laser and beam driven plasma and advanced structure accelerators to advanced phase space manipulations and generation of beams with extreme parameters.

研究动机与目标

• 推进高梯度粒子加速技术，以实现未来高能物理对撞机的尺寸缩小、成本降低和二氧化碳排放减少。
• 解决在先进加速器中保持低发射度、小能谱展宽和高重复频率的关键挑战。
• 基于先进加速器原理，开发集成化的对撞机参数集，并支持未来e⁺e⁻和γγ对撞机的设计研究。
• 通过与2016年《先进加速器研发战略》保持一致并更新路线图，加强美国及国际研发计划。
• 利用科学、医学和工业领域的近期应用作为迈向高能物理的跳板，并吸引多样化人才进入该领域。

提出的方法

• 利用激光驱动和束流驱动的等离子体尾场加速（LWFA、PWFA、SWFA），实现超过10 GeV/m的加速梯度。
• 采用高亮度、短束团以提高单位束流功率的亮度，并实现实际的能效回收。
• 实施先进的相空间调控和束流整形技术，以在多阶段加速过程中最小化能谱展宽和发射度增长。
• 集成驱动技术，如超导射频直线加速器和高平均功率激光器，以满足未来对撞机的需求。
• 开展集成化设计研究，并建设中间能量示范设施（例如20–80 GeV），以验证关键技术。
• 利用高性能PIC代码推进计算建模，以模拟和优化等离子体及介电结构的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于等离子体的加速器能否实现并维持10 GeV/m或更高的梯度，同时保持纳米量级的束流发射度？
• RQ2 束流整形和先进相空间调控技术如何防止在等离子体和介电结构中多阶段加速过程中的能谱展宽增长？
• RQ3 高平均功率激光器与SRF直线加速器作为未来对撞机驱动器的最优配置是什么？
• RQ4 能否基于先进加速器概念设计出紧凑、高亮度的e⁺e⁻和γγ对撞机，其能量范围超过15 TeV？
• RQ5 近期设施和中间能量示范装置如何推动从原理验证实验向完整对撞机设计的过渡？

主要发现

• 已在单级等离子体加速器中成功实现多GeV电子束，验证了高梯度加速的可行性。
• 已在实验中实现等离子体尾场中的正电子加速，这是迈向e⁺e⁻对撞机的关键一步。
• 激光驱动和束流驱动的等离子体自由电子激光（FEL）已实现受激发射，证实了高束流品质和相干性。
• 高梯度介电结构及改进的束流加载技术在等离子体加速之外的稳定、高效率加速方面展现出前景。
• 针对15 TeV及以上能量的e⁺e⁻和γγ对撞机的集成化对撞机参数集现已可行，并处于积极开发中。
• 国际社会，包括CERN和DESY，正在投资先进加速器概念，欧洲已承诺147个全职人员年和315万瑞士法郎用于AAC工作。