This paper reviews the concepts, recent progress and current challenges for realizing the tremendous electric fields in relativistic plasma waves for applications ranging from tabletop particle accelerators to high-energy physics. Experiments in the 1990s on laser-driven plasma wakefield accelerators at several laboratories around the world demonstrated the potential for plasma wakefields to accelerate intense bunches of self-trapped particles at rates as high as 100 GeV m−1 in millimetre-scale gas jets. These early experiments have been followed in the current decade by experiments that are advancing on several fronts—increasing the accelerated charge (to the several nanocoulomb level), producing higher transverse beam quality (to the mm mrad normalized emittance level) and accessing new physics regimes at higher laser power. Several groups are engaged in pursuing two key challenges for laser wakefield accelerators—producing beams with small energy spread and extending the interaction length from millimetres to centimetres and beyond. Major breakthroughs on both fronts have occurred in the past year. In parallel with the progress in laser-driven wakefields, particle-beam driven wakefield accelerators are making large strides. A series of experiments using the 30 GeV beam of the Stanford Linear Accelerator has demonstrated high-gradient acceleration of electrons and positrons in metre-scale plasmas as well as key scaling laws for a 'plasma afterburner', a concept for doubling the energy of a high-energy collider in a few tens of metres of plasma. In addition to wakefield acceleration, these and other experiments have demonstrated the rich physics bounty to be reaped from relativistic beam–plasma interactions. This includes plasma lenses capable of focusing particle beams to the highest energy density ever produced, collective radiation mechanisms capable of generating high-brightness x-ray beams, collective refraction of particles at a plasma interface and acceleration of intense proton beams from laser-irradiated foils.
本稿では、テーブルトップ粒子加速器から高エネルギー物理学に至る応用を目指し、相対論的プラズマ波における巨大電場を実現するための概念、最近の進展、および現在の課題について概説する。1990年代におけるレーザー駆動プラズマ航跡場加速器の実験は、世界中のいくつかの研究所で行われ、ミリメートル規模のガスジェット中で、自己捕捉された粒子群を100 GeV m⁻¹もの速度で加速するプラズマ航跡場の可能性を実証した。これらの初期実験に続き、現在の10年間では、加速電荷の増大（数ナノクーロンレベルへ）、横方向ビーム品質の向上（mm mradの規格化エミッタンスへ）、そしてより高いレーザーパワーでの新たな物理領域への到達という、複数の前線での進展が見られている。いくつかのグループは、レーザー航跡場加速器の2つの主要な課題、すなわちエネルギー広がりの小さなビームの生成と、相互作用長のミリメートルからセンチメートル以上への延伸に取り組んでいる。この両方の前線において、昨年には大きな進展があった。レーザー駆動航跡場の進展と並行して、粒子ビーム駆動航跡場加速器も大きな進歩を遂げている。スタンフォード線形加速器の30 GeVビームを用いた一連の実験では、メートル規模のプラズマ中での電子および陽電子の高勾配加速が実証されるとともに、高エネルギー衝突型加速器のエネルギーを数十メートルのプラズマで倍増させるという概念である「プラズマアフターバーナー」の主要なスケーリング則が確立された。航跡場加速に加えて、これらの実験やその他の実験は、相対論的ビーム・プラズマ相互作用から得られる豊かな物理的成果を実証している。これには、これまでに生成された中で最も高いエネルギー密度まで粒子ビームを集束できるプラズマレンズ、高輝度X線ビームを生成できる集団放射機構、プラズマ界面における粒子の集団屈折、そしてレーザー照射フォイルからの陽子ビームの高強度加速が含まれる。