We demonstrate that quantum and classical radiation effects can become non-negligible for TeV-class beams propagating through plasma channels typical of staged plasma accelerators. Although the quantum nonlinearity parameter remains small under currently envisioned experimental conditions, the cumulative influence of radiation over long acceleration distances can lead to significant modifications to the beam’s energy spread, emittance, and polarization. Our analytic models, validated by particle-in-cell simulations, highlight that for standard Gaussian beams, the orbit-induced energy spread dominates over quantum stochastic effects but can be mitigated by tailoring the beam profile, for example, through ring-shaped transverse distributions. In regimes where the radiation reaction approaches the accelerating force, the emittance may be cooled, forming distinctive ring-shaped phase-space structures. Finally, we analyze the influence of the radiation effect on spin transport inside the wakefield. These findings underscore the importance of considering both classical and quantum radiation dynamics in the design and optimization of future high-intensity plasma accelerators.
量子放射効果と古典放射効果が、多段プラズマ加速器に典型的なプラズマチャネルを伝搬するTeV級ビームに対して無視できなくなり得ることを、我々は実証する。量子非線形パラメータは現在想定されている実験条件下では小さいままであるが、長い加速距離にわたる放射の累積的な影響は、ビームのエネルギー広がり、エミッタンス、および偏極に有意な変更をもたらし得る。PICシミュレーションによって検証された我々の解析モデルは、標準的なガウスビームの場合、軌道起因のエネルギー広がりが量子確率的効果よりも支配的であるが、例えばリング状の横分布など、ビームプロファイルを調整することによって緩和され得ることを明らかにする。放射反応が加速力に近づく領域では、エミッタンスが冷却され、特徴的なリング状の位相空間構造が形成される可能性がある。最後に、我々は航跡場内のスピン輸送に対する放射効果の影響を分析する。これらの発見は、将来の高強度プラズマ加速器の設計と最適化において、古典的および量子的な放射ダイナミクスの両方を考慮することの重要性を強調するものである。