Studies of charged-particle acceleration processes remain one of the most important areas of research in laboratory, space and astrophysical plasmas. In this paper, we present the underlying physics and the present status of high gradient and high energy plasma accelerators. We will focus on the acceleration of charged particles to relativistic energies by plasma waves that are created by intense laser and particle beams. The generation of relativistic plasma waves by intense lasers or electron beams in plasmas is important in the quest for producing ultra-high acceleration gradients for accelerators. With the development of compact short pulse high brightness lasers and electron positron beams, new areas of studies for laser/particle beam-matter interactions is opening up. A number of methods are being pursued vigorously to achieve ultra-high acceleration gradients. These include the plasma beat wave accelerator mechanism, which uses conventional long pulse (∼100 ps) modest intensity lasers (I ∼ 1014–1016 W cm−2), the laser wakefield accelerator (LWFA), which uses the new breed of compact high brightness lasers (<1 ps) and intensities >1018 W cm−2, the self-modulated LWFA concept, which combines elements of stimulated Raman forward scattering, and electron acceleration by nonlinear plasma waves excited by relativistic electron and positron bunches. In the ultra-high intensity regime, laser/particle beam–plasma interactions are highly nonlinear and relativistic, leading to new phenomena such as the plasma wakefield excitation for particle acceleration, relativistic self-focusing and guiding of laser beams, high-harmonic generation, acceleration of electrons, positrons, protons and photons. Fields greater than 1 GV cm−1 have been generated with particles being accelerated to 200 MeV over a distance of millimetre. Plasma wakefields driven by positron beams at the Stanford Linear Accelerator Center facility have accelerated the tail of the positron beam. In the near future, laser plasma accelerators will be producing GeV particles.
荷電粒子加速過程の研究は、実験室プラズマ、宇宙プラズマ、および天体プラズマにおける最も重要な研究分野の一つであり続けています。本論文では、高勾配・高エネルギープラズマ加速器の基礎となる物理と現状について述べます。特に、強力なレーザービームや粒子ビームによって生成されるプラズマ波を用いた、相対論的エネルギーまでの荷電粒子加速に焦点を当てます。プラズマ中で強力なレーザーや電子ビームにより相対論的プラズマ波を生成することは、次世代加速器のための超高加速勾配の実現を目指す上で重要です。コンパクトな短パルス・高輝度レーザーおよび電子陽電子ビームの開発に伴い、レーザー・粒子ビームと物質の相互作用に関する新たな研究分野が開拓されつつあります。超高加速勾配を達成するために、現在さまざまな手法が精力的に研究されています。その中には、従来型の長パルス（約100 ps）で中程度の強度（約10¹⁴〜10¹⁶ W cm⁻²）のレーザーを用いるプラズマビート波加速機構、コンパクトな短パルス（1 ps未満）で高強度（10¹⁸ W cm⁻²以上）のレーザーを用いるレーザー航跡場加速（LWFA）、誘導ラマン前方散乱の要素を組み合わせた自己変調型LWFA、そして相対論的電子・陽電子ビームによって励起される非線形プラズマ波による電子加速などが含まれます。超高強度領域では、レーザー・粒子ビームとプラズマの相互作用は高度に非線形かつ相対論的となり、プラズマ航跡場励起による粒子加速、レーザーの相対論的自己集束と導波、高次高調波発生、電子・陽電子・陽子・光子の加速といった新たな現象が生じます。これまでに1 GV cm⁻¹を超える電場勾配が生成され、粒子は数ミリメートルの距離で200 MeVまで加速されています。スタンフォード線形加速器センターの施設では、陽電子ビームによって駆動されるプラズマ航跡場が陽電子ビームの後部を加速することに成功しています。近い将来、レーザープラズマ加速器はGeV級の粒子を生成するに至るでしょう。