Demonstration of a 10-metre-long discharge plasma source for plasma wakefield acceleration
本論文は、AWAKE実験におけるプラズマウェイクフィールド加速を駆動するための、レーザーイオン化蒸気に代わる再現可能かつ均一な選択肢として、10メートル長のパルスDC放電プラズマ源の実験的な特性評価およびビームに基づく検証に成功したことを報告するものである。
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この研究の背後にある野心を理解するためには、まず次世代の粒子加速器を構築するという課題を把握しなければならない。地球を一周する巨大なリングのような従来の装置は、粒子を前方に押し出すために電波に依存している。これは効果的ではあるものの、これらの波が破壊される前に提供できる推進力には限界があるため、宇宙の根本的な秘密を探るために必要な最高エネルギーに到達するには、数百キロメートルもの長さを持つ機械を建設せざるを得なくなる。よりコンパクトな代替案として、プラズマ（高温の帯電したガス）を使用してウェークフィールド（航跡場）を作り出す方法がある。ボートが水の中を進む様子を想像してほしい。ボートはその後ろに波の跡を残す。粒子の一団（バンチ）がプラズマ中を通過すると、同様のウェークが発生する。もし第二の粒子の一団が、ちょうど適切なタイミングでこのウェークに乗ることができれば、非常に短い距離で驚異的な速度まで加速させることができる。問題は、高エネルギー物理学に求められるエネルギーレベルに達するためには、この加速が、これまで単一の均一な管の中で成功したことのない、はるかに長いプラズマの区間にわたって行われる必要があるということである。
ジュネーブのCERNで行われたこの論文に記述されている実験は、この特定の障害に取り組んでいる。AWAKEコラボレーションの一員である研究者たちは、これらの高速加速に使用するのに十分なほど安定し、かつ均一な、長さ10メートルのプラズマ柱を作成する新しい手法のテストに成功した。長年、チームはルビジウム蒸気をイオン化してプラズマに変えるためにレーザーを使用してきた。この手法は短い距離ではうまく機能するが、将来の装置に求められる数十メートルから数百メートルの長さへとプラズマ柱を拡張しようとする際、レーザー自体が制限要因となる。チームは、粒子を軌道上に留めておくために必要な精密な制御を失うことなく、スケールアップできる異なるアプローチを必要としていた。彼らが目をつけたのは、雷が発生するプロセスに似ているが、慎重に制御され、繰り返し行われる電気放電であった。
研究者たちは10メートルの長さのガラス管を製作し、ヘリウム、アルゴン、キセノンといった希ガスで満たした。レーザーを使用する代わりに、高電圧の電気パルスをガスに印加した。このパルスがガスから電子を剥ぎ取り、瞬時にガスをプラズマへと変容させる。成功の鍵は「ダブルパルス」技術であった。第一のパルスはガスに火をつけるための火花として機能し、第二の、わずかに長いパルスはプラズキマを定常状態へと加熱する。この二段階のプロセスにより、プラズマが回ごとに信頼性と一貫性を持って形成されるようになる。チームはこのシステムを数千回稼働させ、3種類の異なるガスそれぞれで性能をテストした。その結果、電気放電によって、加速に適した密度（1立方センチメートルあたり100兆個から1000兆個の電子）を継続的に生成できることが判明した。
プラズマがまさに意図した通りに振る舞っているかを検証するために、研究者たちは単にガスを観察しただけではなく、粒子ビーム自体を測定ツールとして使用した。彼らは、スーパープロトン・シンクロトロンから高エネルギーの陽子バンチを発射した。陽子がプラズマ中を通過すると、自然に微小なバンチの列へと分裂する。これは自己変調として知られる現象である。これらのマイクロバンチが形成される速度は、プラズマ密度と直接結びついている。このパターンの周波数を測定することで、科学者たちは管内のプラズマ密度を算出することができた。彼らは、これらビームベースの測定値を、光の波がガスを通過する際の波の変化を測定する技術であるレーザー干渉法を用いた独立したラボ測定値と比較した。両方の手法は驚くほどよく一致しており、電気放電が正しい密度を持つプラズマを生成していることを裏付けた。
おそらく最も重要な発見は、システムの整合性であった。粒子加速器が機能するためには、プラズマは瞬間ごとに激しく変動してはならず、再現可能でなければならない。チームは、電気放電ごとのプラズマ密度の変動を測定し、それが1パーセント未満であることを突き止めた。この安定性は、彼らが置き換えようとしているレーザーベースのシステムの性能に匹раเทียบできるものであり、電気放電が実行可能な代替手段であることを証明している。このシステムは、3週間にわたる2万回以上の放電サイクルを通じて信頼性を持って動作し、連続運転の厳しさにも耐えうることを示した。さらに、研究者たちは、電気パルスと陽子ビームの到着の間のタイミングを調整するだけで、同じ管内で異なるプラズマ密度にアクセスできることを実証し、ハードウェアを変更することなく実験を調整できる柔軟な方法を提示した。
この研究は、電気放電によって駆動される10メートルのプラズマ源が、単に可能であるだけでなく、堅牢で再現可能であることを確立した。これは、これらのプラズマ源をさらに長い距離へとスケールアップし、将来の高エネルギー衝突型加速器に必要とされる数百メートルにまで到達する可能性への扉を開くものである。現在の設計はAWAKE実験の特定のニーズに合わせて調整されているが、電気放電を用いて長くて均一なプラズマ柱を作成するという根底にある原理は、他のプラズマベースの加速プロジェクトにも適用できる。この10メートルのプロトタイプの成功は、より大きく、より強力で、よりコンパクトな粒子加速器を構築する道が、理論的な概念から具体的で機能するテクノロジーへと、より明確になりつつあることを示唆している。
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