プラズマ航跡場

プラズマ航跡場（plasma wakefield）とは、高強度のレーザーパルスや高エネルギー荷電粒子ビームがプラズマ中を通過した後に残る、プラズマ電子の集団振動すなわちプラズマ波のことであり、その波がもつ強い縦電場を粒子加速に利用する研究分野はプラズマ航跡場加速と呼ばれる。プラズマ中の電子はイオンに比べてはるかに軽いため、ドライバ（駆動源）の電磁場によって電子だけが押し退けられ、イオンはほぼ動かずに残る。通過後、電子はイオンの正電荷による静電的な復元力を受けてプラズマ周波数で振動し、ドライバとほぼ同じ速度で伝播する密度波が形成される。この波の縦電場は従来の高周波加速空洞をはるかに超える、GeV/m級からそれ以上の勾配を支えることができ、1979年のタジマ（Tajima）とダウソン（Dawson）による提案以来、加速器の小型化を目指す新加速技術の中心概念となってきた。

図はビーム駆動型プラズマ航跡場加速の模式図であり、前方の駆動ビームが抜けた後に形成された電子密度構造（白い空洞とその後方の密度峰）と、軸上の縦電場の波形（黒線）が示されている。後方に置かれた被加速ビーム（トレーリングビーム）が電場の加速位相に乗ることでエネルギーを得る。図中の縦軸・横軸はプラズマ周波数とプラズマ波長で規格化されており、航跡場の空間スケールがプラズマ密度だけで決まることを示している。

加速の原理

プラズマ航跡場の本質は、プラズマの固有振動を「共鳴的に叩く」ことにある。ドライバのパルス長がプラズマ波長（k_p^{-1} = c/ω_p のスケール）に近いとき、ドライバが通過するたびに電子は最も効率よく押し退けられ、大きな振幅のプラズマ波が立つ。波の位相速度はドライバの速度にほぼ等しいため、相対論的なドライバであれば被加速粒子は長い距離にわたって加速位相にとどまることができる。

到達可能な電場の大きさはプラズマ密度で決まる。線形領域での破壊電場（波動破壊限界）は E_最大 ≈ 96 √(n_0[cm^-3]) V/m と書かれ、例えば密度 10^18 cm^-3 では約100 GV/m に達する。これは従来の高周波加速器の勾配（数十MV/m程度）より2〜3桁大きい。ただし密度を下げて勾配を抑えれば航跡場の伝播が安定しエネルギー幅が減る、という勾配とビーム品質のトレードオフが常に存在する。単一段でのエネルギー利得はドライバの持つエネルギーと、ドライバから被加速ビームへのエネルギー変換効率を表す変成比（transformer ratio）によって制限される。このため、ドライバをほぼ使い切る「ビーム負荷」の制御や、複数段の接続が実用化の鍵となる。

ドライバの種類

ドライバには主に三つの系統がある。第一に電子ビーム駆動で、SLACでの実験が代表例である。2007年に42 GeVの単一電子バンチを85 cmのプラズマに注入し、後半の電子を約52 GeV/m相当の勾配で85 GeVまで加速する「エネルギー倍増」が実証された。その後、1.3 mのプラズマで1粒子あたり最大9 GeVのエネルギー利得が、スペクトルピークの電荷28.3 pC、エネルギー分散5.0%で達成されており、航跡場構造が1 m以上伝播してもほとんど変化しないことが示された。電子駆動の利点はビームとプラズマ波の速度が一致することだが、利得はドライバエネルギーの概ね2倍程度に制限される。

第二にレーザー駆動（レーザー航跡場加速）で、チャープしたレーザーパルスや密度勾配を組み合わせた注入・加速の制御が盛んに研究されている。第三に陽子駆動で、陽子は蓄積リングで得られる膨大なエネルギーを運べるため、単一段でTeV級の加速を目指せる点が決定的に異なる。CERNのAWAKE実験では、10 mのルビジウム蒸気プラズマをレーザーで電離し、長い陽子ビームを自己変調させて共鳴的に航跡場を駆動する方式で、種まきされた再現性ある自己変調と、外部注入電子の2 GeVへの加速が実証された。陽子駆動では1 TeV・100 μm長の陽子バンチのシミュレーションで400 mの伝播により電子を10 GeVから650 GeVへ加速する予測もあり、一方で陽子ビームの自己変調やホース不安定性など、長距離伝播に固有の物理の解明が進められている。なお、陽子駆動では数十メートル以上の低密度プラズマ源が課題であり、低圧アルゴン中の放電プラズマによるメートル級セルの開発が進んでいる。

非線形「バブル」領域

ドライバ密度がプラズマ密度を大きく上回ると、航跡場は線形波ではなく完全に非線形な構造をとる。電子がほぼ全て押し退かされた球状の空洞（バブル、あるいはブローアウト領域）がドライバの後ろに形成され、その内壁に圧縮された電子シートが強いイオン空洞電場をつくる。この構造の利点は、縦方向の加速電場と横方向の集束電場がほぼ線形で、かつ空間的に一様であることにある。バブル内では集束力が半径位置に比例するため、被加速ビームのエミッタンスを保ったまま加速できることが示されている。加速勾配の目安はバブル半径（プラズマ波長スケール）で決まり、密度を上げるほど勾配は増すがバブルは小さくなり、収容できる電荷量が減るという制約が生じる。ドライバと被加速ビームの速度差による位相ずれ（デフェージング）が利得の上限を与えるが、バブル領域では比較的長いデフェージング長が得られる。

注入とビーム品質の制御

被加速ビームの品質（エネルギー分散、エミッタンス、電荷量）を決める最大の要素は、電子をどのように航跡場に「注入」するかである。最も単純な自己注入では、バブルの後端で密度ランプ（下り坂）により波の位相速度が低下した瞬間に電子が捕獲されるが、位相空間の混合が大きくなりがちである。より精密な制御として、逆方向レーザーとの衝突によって境界付近の原子を電離し、注入位置と注入時刻をレーザーの焦点位置や発射タイミングで調整する電離注入がある。この方式では各スライスの電子がほぼ同時に放出されるため位相空間混合が小さく、数ナノメートル級の正規化エミッタンスとスライスあたり十数keVのエネルギー分散をもつビームがシミュレーションで示されている。また、ドライバと並走するレーザーでバブルを一時的に膨張させて注入を誘起する方式では、レーザー強度とドライバ密度によって注入電荷を外部から制御でき、10 fs級の短パルスが生成される。

加速中の品質保持にはビーム負荷の最適化が重要である。被加速ビーム自身が航跡場を平坦化するように電荷を載せれば、ビーム内の全粒子がほぼ一様に加速され、エネルギー分散が最小になる。この最適負荷の設計には従来、計算コストの大きい粒子シミュレーション（PIC）が必要であったが、近年はニューラルネットワークによる軸上縦電場の予測やベイズ最適化など機械学習手法による設計の高速化が活発である。さらに、プラズマ密度の上り・下りランプを組み合わせて横方向の集束力を調整し、エミッタンス成長（空間電荷減衰、ビーム・プラズマ不整合、ホース不安定性、色収差的位相拡がりなど）を抑える手法が研究されている。陽子駆動では上りランプが航跡場を安定させる一方、レーザー駆動では下りランプが自己注入を促す。

実験施設とマイルストーン

最初の原理実証はアルゴンヌ国立研究所で行われ、約1.6 MeV/mの加速勾配が確認された。その後SLACでのエネルギー倍増実験（2007年）を経て、研究の焦点は「高い勾配」から「高勾配と高ビーム品質・高効率の両立」へ移った。SLACのFACET、およびその後継である10 GeV電子ビーム施設FACET IIでは、ドライバをほぼ使い切った状態での航跡場生成、トレーリングビームのエネルギー倍増と高効率なエネルギー伝達、整合セクションを備えた単一段でのエミッタンス成長の定量化が目標とされている。DESYのFLASHForwardではコリメータによる二束ビーム生成が、ダーズベリー（Daresbury）研究所のCLARAとそのFEBEビームラインでは250 MeV電子ビームを用いた20 cmプラズマセル内でのエネルギー倍増とビーム品質保持がシミュレーションで検討されている。CERNのAWAKEは陽子駆動の唯一の実験拠点として、自己変調の種まき制御と電子加速を実証し、放電プラズマセルへの更新を進めている。

応用面では、陽子複数バンチと中空プラズマを組み合わせたポジトロン加速の研究が注目される。中空チャネルではプラズマ電子がチャネル壁に退くため、ポジトロンも電子と同様に線形な集束・加速を受けられるが、エミッタンスとエネルギー分散の両立が課題であった。追加の電子束でプラズマ電子を押し退け、プラズマ密度をわずかに下げて加速位相の傾きを調整することで、ポジトロンをドライバエネルギーの40%にあたる400 GeVまで、エネルギー分散1%以下で加速するシミュレーション結果が得られている。このような成果は、将来のエネルギーフロンティア軽粒子衝突型加速器やコンパクト自由電子レーザーへの道を開くものとして期待されている。一方で、航跡場加速の研究はテラヘルツ放射の発生など、加速以外の高電場光源への展開も見せており、分野は加速器物理の枠を超えて広がりつつある。