During the past two decades of research, the ultra-relativistic beam-driven plasma wakefield accelerator (PWFA) concept has achieved many significant milestones. These include the demonstration of ultra-high gradient acceleration of electrons over meter-scale plasma accelerator structures, efficient acceleration of a narrow energy spread electron bunch at high-gradients, positron acceleration using wakes in uniform plasmas and in hollow plasma channels, and demonstrating that highly nonlinear wakes in the 'blow-out regime' have the electric field structure necessary for preserving the emittance of the accelerating bunch. A new 10 GeV electron beam facility, Facilities for Accelerator Science and Experimental Test (FACET) II, is currently under construction at SLAC National Accelerator Laboratory for the next generation of PWFA research and development. The FACET II beams will enable the simultaneous demonstration of substantial energy gain of a small emittance electron bunch while demonstrating an efficient transfer of energy from the drive to the trailing bunch. In this paper we first describe the capabilities of the FACET II facility. We then describe a series of PWFA experiments supported by numerical and particle-in-cell simulations designed to demonstrate plasma wake generation where the drive beam is nearly depleted of its energy, high efficiency acceleration of the trailing bunch while doubling its energy and ultimately, quantifying the emittance growth in a single stage of a PWFA that has optimally designed matching sections. We then briefly discuss other FACET II plasma-based experiments including in situ positron generation and acceleration, and several schemes that are promising for generating sub-micron emittance bunches that will ultimately be needed for both an early application of a PWFA and for a plasma-based future linear collider.
過去20年にわたる研究を通じて、超相対論的ビーム駆動プラズマ航跡場加速器（PWFA）の概念は、多くの重要なマイルストーンを達成してきた。これには、メートルスケールのプラズマ加速器構造における電子の超高勾配加速、高勾配での狭いエネルギー広がりを持つ電子バンチの効率的な加速、一様プラズマおよび中空プラズマチャネルにおける航跡場を用いた陽電子加速、そして「ブローアウト領域」における強非線形航跡場が、加速バンチのエミッタンスを保存するために必要な電場構造を持つことの実証が含まれる。次世代のPWFA研究開発のための新しい10GeV電子ビーム施設であるFACET II（Facilities for Accelerator Science and Experimental Test）が、現在SLAC国立加速器研究所に建設中である。FACET IIのビームにより、ドライブバンチからトレイルバンチへの効率的なエネルギー転送を実証しつつ、小さなエミッタンスを持つ電子バンチの大幅なエネルギー利得を同時に実証することが可能となる。本論文では、まずFACET II施設の能力について述べる。次に、ドライブビームのエネルギーがほぼ完全に枯渇するプラズマ航跡場の生成、そのエネルギーを倍増させながらのトレイルバンチの高効率加速、そして最終的には最適に設計されたマッチングセクションを備えた単一ステージのPWFAにおけるエミッタンス成長の定量化を実証するために設計された、数値シミュレーションおよび粒子シミュレーションによって支援された一連のPWFA実験について述べる。さらに、その場での陽電子生成と加速を含む他のFACET IIプラズマベース実験、およびPWFAの初期応用とプラズマベースの将来の線形衝突型加速器の両方にとって最終的に必要となるサブミクロンのエミッタンスを持つバンチを生成するためのいくつかの有望なスキームについても簡潔に議論する。