New acceleration technology is mandatory for the future elucidation of fundamental particles and their interactions. A promising approach is to exploit the properties of plasmas. Past research has focused on creating large-amplitude plasma waves by injecting an intense laser pulse or an electron bunch into the plasma. However, the maximum energy gain of electrons accelerated in a single plasma stage is limited by the energy of the driver. Proton bunches are the most promising drivers of wakefields to accelerate electrons to the TeV energy scale in a single stage. An experimental program at CERN—the AWAKE experiment—has been launched to study in detail the important physical processes and to demonstrate the power of proton-driven plasma wakefield acceleration. Here we review the physical principles and some experimental considerations for a future proton-driven plasma wakefield accelerator.
新たな加速技術は、素粒子とその相互作用の将来の解明に必須である。有望なアプローチの一つは、プラズマの特性を利用することである。これまでの研究は、強力なレーザーパルスまたは電子バンチをプラズマに注入することによる、大振幅プラズマ波の生成に焦点を当ててきた。しかし、単一のプラズマ段階で加速される電子の最大エネルギー利得は、ドライバーのエネルギーによって制限される。陽子バンチは、単一の段階で電子をTeVエネルギー規模まで加速するための、最も有望なウェイクフィールドドライバーである。CERNにおけるAWAKE実験は、重要な物理過程を詳細に研究し、陽子駆動プラズマウェイクフィールド加速の実証を行うために開始された。本稿では、将来の陽子駆動プラズマウェイクフィールド加速器に向けた物理原理と、いくつかの実験的考察について概説する。