High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

ここでの研究内容を理解するためには、まず現代の粒子物理学における基本的な課題、すなわち「いかにして極めて小さな粒子を驚異的な速度で動かすか」という点を把握しなければならない。数十年にわたり、科学者たちは電子を高速度まで加速させるために、数マイルにも及ぶ巨大な装置を使用してきた。これらの装置は電波を用いて粒子に「キック（衝撃）」を与えるが、その力が及ぼせる範囲には限界がある。もし短い距離で強引に押しすぎようとすれば、装置が破損するか、効率が悪くなってしまう。このことが、加速器のサイズとコストを膨大に保たせ、利用できる層やできることを制限してきたのである。

レーザー・ウェークフィールド加速として知られる異なるアプローチは、これらの装置を部屋のサイズまで縮小する方法を提示している。電波の代わりに、この手法ではガスの中に打ち込まれる強力なレーザー光のパルスを使用する。レーザーは非常に強力であるため、ガスの原子から電子を引き剥がし、プラズマを作り出す。レーザーパルスがこのプラズマの中を進む際、それは周囲の電子を押し退け、まるで水面を進むボートの航跡（ウェイク）のように、背後に「航跡」を作り出す。この航行跡が強力な電場を生み出し、他の電子を捕らえて、非常に短い距離で高速へと加速させる。これを上手く機能させる鍵は、レーザービームをガスの中を移動する間、常に焦点を合わせ、強度を維持することにある。もしビームが広がってしまうと、加速は止まってしまう。長い間、このような強力なビームを長距離にわたって集束させ続けることは困難かつ不安定であり、複雑なセットアップを必要とし、しばリオーザー自身によって損傷を受けることもあった。

チェコ共和国のELI Beamlines施設の研究者たちは、メリーランド大学の共同研究者と共に、この集束問題を解決する新しい方法を実証した。彼らは、強力なビームの熱によって損傷したり歪んだりする可能性のあるガラスやレンズを避け、鏡のみを使用してレーザーを誘導する実験装置を構築した。彼らの革新の核心は、メインのレーザーがガスに入る前にビームの形状を整えるための、「オフアキシス・アキシコン」と呼ばれる特殊な反射コーンである。このセットアップにより、同様の実験でよく使われる水素の代わりとなる、安全で扱いやすいヘリウムガス中に安定したチャネル（通路）を作り出すことができた。

実験において、チームはわずか30フェムト秒（想像もつかないほど短い時間スケール）の持続時間を持ち、13ジュールのエネルギーを運ぶレーザーパルスを発射した。彼らはこのパルスを2つの部分に分割した。一つは、電子を加速させるためのメインのドライバーであり、もう一つは、特別なリング状のパターンに成形されたもので、ヘリウムガス中にあらかじめ形成されたチャネルを作るためのものである。このチャネルはメインのレーザーパルスにとって「中空のパイプ」のような役割を果たし、ガスの中を通過する間、レーザーをタイトに集束させ続けた。研究者たちは、このシステムを2つの異なる速度でテストした。毎秒0.2ショットという低速では、電子を約50億電子ボルトのエネルギーまで加速することに成功した。これは、この手法が単一のステージで高エネルギービームを生み出せることを示す重要な成果である。

チームはまた、システムを毎秒3.3ショットというはるかに高速なレートで作動させる試みも行った。この高速時には、電子加速を同じ方法で測定はしていないものの、レーザービームがプラズマチャネル内を長期間にわたって安定して誘導できることを証明した。これは、高リピティションレート（高繰り返し率）がより多くのデータとより実用的なビームを意味するため、加速器を日常的な用途として実用化するための極めて重要なステップである。ヘリウムの使用は意図的な選択であった。可燃性であり慎重な取り扱いを要する水素とは異なり、ヘリウムは不活性であり、連続稼働する施設においてより安全に作業できる。

結果は、この全反射型のアプローチが堅牢であることを示している。レンズの代わりに鏡を使用することで、研究者たちは高出力レーザーシステムをしばしば悩ませる熱的な歪みを回避した。彼らは、生成された電子ビームが方向に対して安定しており、広がりが小さいこと、つまり粒子がタイトな塊としてまとまっていることを確認した。電子のエネルギーは最大50億電子ボルトに達し、これは理論がこれらの条件下で予測するものと一致している。チームは、プロセスが、メインのパルスが到着する直前にチャネルを作成するという、2つのレーザーパルスの間の特定のタイミングに依存していることを指摘したが、彼らのシステムはショットを重ねるごとにこの繊細なバランスを維持することができた。

この研究は、粒子加速におけるあらゆる問題を解決したと主張するものではないが、明確な進むべき道を示している。この手法は既存のレーザー施設に大きな変更を必要としないほど単純であり、他の研究センターが採用しやすいものである。安全なガスと耐久性のある光学セットアップを用いて、安定した高エネルギー加速が可能であることを証明することで、研究者たちはこの技術を阻んできたいくつかの障壁を取り除いた。これらの知見は、将来の加速器がより小さく、より安全で、より信頼性の高いものになり得ることを示唆しており、医学や材料科学、さらには基礎物理学のさらなる発見への扉を開く可能性がある。この実験の成功は、単一の劇的な突破口によるものではなく、困難な問題が簡潔で耐久性のある設計によって解決できることを着実に示したことにある。