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、低圧アルゴン中のによるメートル級セルの開発が進んでいる。