This special issue on laser and plasma accelerators illustrates the rapid advancement and diverse applications of laser and plasma accelerators. Plasma is an attractive medium for particle acceleration because of the high electric field it can sustain, with studies of acceleration processes remaining one of the most important areas of research in both laboratory and astrophysical plasmas. The rapid advance in laser and accelerator technology has led to the development of terawatt and petawatt laser systems with ultra-high intensities and short sub-picosecond pulses, which are used to generate wakefields in plasma. Recent successes include the demonstration by several groups in 2004 of quasi-monoenergetic electron beams by wakefields in the bubble regime with the GeV energy barrier being reached in 2006, and the energy doubling of the SLAC high-energy electron beam from 42 to 85 GeV. The electron beams generated by the laser plasma driven wakefields have good spatial quality with energies ranging from MeV to GeV. A unique feature is that they are ultra-short bunches with simulations showing that they can be as short as a few femtoseconds with low-energy spread, making these beams ideal for a variety of applications ranging from novel high-brightness radiation sources for medicine, material science and ultrafast time-resolved radiobiology or chemistry.Laser driven ion acceleration experiments have also made significant advances over the last few years with applications in laser fusion, nuclear physics and medicine. Attention is focused on the possibility of producing quasi-mono-energetic ions with energies ranging from hundreds of MeV to GeV per nucleon. New acceleration mechanisms are being studied, including ion acceleration from ultra-thin foils and direct laser acceleration.The application of wakefields or beat waves in other areas of science such as astrophysics and particle physics is beginning to take off, such as the study of cosmic accelerators considered by Chen et al where the driver, instead of being a laser, is a whistler wave known as the magnetowave plasma accelerator. The application to electron--positron plasmas that are found around pulsars is studied in the paper by Shukla, and to muon acceleration by Peano et al.Electron wakefield experiments are now concentrating on control and optimisation of high-quality beams that can be used as drivers for novel radiation sources. Studies by Thomas et al show that filamentation has a deleterious effect on the production of high quality mono-energetic electron beams and is caused by non-optimal choice of focusing geometry and/or electron density. It is crucial to match the focusing with the right plasma parameters and new types of plasma channels are being developed, such as the magnetically controlled plasma waveguide reported by Froula et al. The magnetic field provides a pressure profile shaping the channel to match the guiding conditions of the incident laser, resulting in predicted electron energies of 3GeV. In the forced laser-wakefield experiment Fang et al show that pump depletion reduces or inhibits the acceleration of electrons. One of the earlier laser acceleration concepts known as the beat wave may be revived due to the work by Kalmykov et al who report on all-optical control of nonlinear focusing of laser beams, allowing for stable propagation over several Rayleigh lengths with pre-injected electrons accelerated beyond 100 MeV.With the increasing number of petawatt lasers, attention is being focused on different acceleration regimes such as stochastic acceleration by counterpropagating laser pulses, the relativistic mirror, or the snow-plough effect leading to single-step acceleration reported by Mendonca. During wakefield acceleration the leading edge of the pulse undergoes frequency downshifting and head erosion as the laser energy is transferred to the wake while the trailing edge of the laser pulse undergoes frequency up-shift. This is commonly known as photon deceleration and acceleration and is the result of a modulational instability. Simulations reported by Trines et al using a photon-in-cell code or wave kinetic code agree extremely well with experimental observation.Ion acceleration is actively studied; for example the papers by Robinson, Macchi, Marita and Tripathi all discuss different types of acceleration mechanisms from direct laser acceleration, Coulombic explosion and double layers. Ion acceleration is an exciting development that may have great promise in oncology. The surprising application is in muon acceleration, demonstrated by Peano et al who show that counterpropagating laser beams with variable frequencies drive a beat structure with variable phase velocity, leading to particle trapping and acceleration with possible application to a future muon collider and neutrino factory.Laser and plasma accelerators remain one of the exciting areas of plasma physics with applications in many areas of science ranging from laser fusion, novel high-brightness radiation sources, particle physics and medicine.The guest editor would like to thank all authors and referees for their invaluable contributions to this special issue.
このレーザーおよびプラズマ加速器に関する特集号は、レーザーおよびプラズマ加速器の急速な進歩と多様な応用を示しています。プラズマは、その高い電場を維持できることから、粒子加速のための魅力的な媒質であり、加速過程の研究は、実験室および天体物理プラズマの両方において最も重要な研究分野の一つであり続けています。レーザーおよび加速器技術の急速な進歩により、超高強度かつ短いサブピコ秒パルスを持つテラワットおよびペタワット級のレーザーシステムが開発され、これらはプラズマ中に航跡場を生成するために使用されています。最近の成功には、2004年のバブル領域における航跡場による準単色電子ビームの実証、2006年のGeVエネルギー障壁の達成、およびSLAC高エネルギー電子ビームの42GeVから85GeVへのエネルギー倍増が含まれます。レーザープラズマ駆動航跡場によって生成される電子ビームは、MeVからGeVの範囲のエネルギーを持つ優れた空間品質を有しています。特筆すべき特徴として、それらは超短バンチであり、シミュレーションにより数フェムト秒程度の短さと低エネルギー広がりを持つことが示されており、これらのビームは、医学、材料科学、および超高速時間分解放射線生物学や化学のための新規高輝度放射線源など、多様な応用に理想的です。レーザー駆動イオン加速実験もここ数年で大きな進歩を遂げており、レーザー核融合、核物理学、医学への応用が進められています。核子あたり数百MeVからGeVの範囲のエネルギーを持つ準単色イオンを生成する可能性に注目が集まっています。超薄膜からのイオン加速や直接レーザー加速を含む新しい加速メカニズムが研究されています。航跡場やビート波の他の科学分野への応用は、天体物理学や素粒子物理学などで始まっており、例えばChenらによって考察された宇宙加速器の研究では、駆動源としてレーザーの代わりにホイッスラー波を用いる磁気波加速器が検討されています。パルサー周辺に見られる電子・陽電子プラズマへの応用はShuklaの論文で研究されており、ミューオン加速への応用はPeanoらによって研究されています。電子航跡場実験は現在、新規放射線源として使用できる高品質ビームの制御と最適化に焦点を当てています。Thomasらの研究は、フィラメント化が高品質の単色電子ビームの生成に悪影響を及ぼすことを示しており、その原因は集束幾何学および/または電子密度の非最適な選択によるものです。入射レーザーの集束を適切なプラズマパラメータに適合させることが重要であり、Froulaらによって報告された磁気制御プラズマ導波路など、新しいタイプのプラズマチャネルが開発されています。磁場はチャネルの圧力分布を整形して入射レーザーの導波条件に適合させ、その結果、3GeVの電子エネルギーが予測されています。強制レーザー航跡場実験において、Fangらはポンプ消耗が電子の加速を減少または阻害することを示しています。初期のレーザー加速概念の一つであるビート波加速は、Kalmykovらによる非線形集束の全光学的制御に関する研究によって復活する可能性があります。彼らは、レーザービームの非線形集束を全光学的に制御することで、複数のレイリー長にわたる安定伝播を可能にし、100MeVを超えるエネルギーへの事前注入電子の加速を実現できると報告しています。ペタワットレーザーの増加に伴い、Mendoncaによって報告されたような、対向伝播レーザーパルスによる確率加速、相対論的ミラー、またはスノープロー効果による単段加速など、異なる加速機構に注目が集まっています。航跡場加速中、パルスの前縁は、レーザーエネルギーが航跡場に転送されるにつれて周波数ダウンシフトとヘッドエロージョンを受け、一方パルスの後縁は周波数アップシフトを受けます。これは一般に光子の減速および加速として知られ、変調不安定性の結果です。Trinesらによって報告されたフォトンインセルコードまたは波動運動学コードを用いたシミュレーションは、実験観測と極めてよく一致しています。イオン加速は活発に研究されており、例えばRobinson、Macchi、Marita、Tripathiによる論文は、直接レーザー加速、クーロン爆発、二重層など、異なるタイプの加速メカニズムをすべて議論しています。イオン加速は刺激的な発展であり、腫瘍学において大きな可能性を秘めています。驚くべき応用はミューオン加速であり、Peanoらによって実証されたように、可変周波数の対向伝播レーザービームが可変位相速度のビート構造を駆動し、粒子捕捉と加速を引き起こし、将来のミューオンコライダーやニュートリノファクトリーへの応用が可能です。レーザーおよびプラズマ加速器は、レーザー核融合、新規高輝度放射線源、素粒子物理学、医学など、多くの科学分野への応用を伴う、プラズマ物理学の最も刺激的な分野の一つであり続けています。ゲストエディターは、本特集号への貴重な貢献に対して、すべての著者と査読者に感謝の意を表します。