数キロメートルの長さの粒子加速器は大きな科学の典型かもしれませんが、物理学者のチームは、はるかに小さなマシンで同じ仕事をするための重要な一歩を踏み出しました.チームは、プラズマ航跡場加速器として知られる実験的なタイプの加速器で電流を増幅し、正確に定義されたエネルギーに加速された強力な電子ビームを効率的に生成できることを示しました。多くの課題が残っていますが、一部の物理学者は、いつかそのようなスキームを使用して、はるかに小さな粒子コライダーを作成できるようになることを望んでいます.
「これは確かに重要なステップです」とコーネル大学の加速器物理学者で名誉教授の Gerald Dugan は言う。同時に、実用的な技術の開発には「まだ長い道のりがあります」。
粒子加速器は、多くの種類の科学にとって不可欠なツールです。物理学者は、スイスにある長さ 27 キロメートルの大型ハドロン衝突型加速器などの原子粉砕機でそれらを使用しています。材料科学者と構造生物学者は、電子加速器のビームから放射される X 線を使用してサンプルを研究します。加速器は通常、長さが数百または数千メートルあり、数億ドルの費用がかかります。
その理由の 1 つは、従来の加速器では粒子のエネルギーを非常に速くしか加速できないためです。電子などの荷電粒子を加速するために、物理学者は、ラジオ周波数 (RF) キャビティと呼ばれる真空チャンバーを通してそれらの束を発射します。RF キャビティは、オルガンのパイプが音波で鳴り響くのと同じように、電波で鳴り響きます。電子は電波をサーフィンすることによってエネルギーを獲得し、加速率は電波内の振動電場の強さに依存します。しかし、そのフィールドの強さには限界があります。強すぎると、キャビティの金属壁から電子を引き離し、機械に損傷を与える可能性のある火花を発生させます。
その限界のために、高エネルギー加速器は長くなければなりません。たとえば、多くの素粒子物理学者は、500 ギガ電子ボルト (GeV) のエネルギーで電子ビームを陽電子ビームに発射する 2 つの対向する直射線形加速器を使用してコライダーを構築することを望んでいます。望ましいエネルギーに到達するには、提案された国際リニア コライダー (ILC) が日本で建設される可能性があり、長さは 40 キロメートルでなければなりません。
しかし、別の可能性があります。物理学者は、RF キャビティを放棄し、プラズマ (原子が電子とイオンに分離するようにエネルギーを与えられたガス) 内で数百倍強力な加速フィールドを作成できます。研究者はプラズマに電子のパルスまたはレーザー光を発射します。この「ドライブ バンチ」は、プラズマ内の負に帯電した電子を押しのけますが、より重い正に帯電したイオンをかろうじて動かします。その結果、正電荷の泡が開き、プラズマの電子が一緒に戻るときに負電荷の結び目が続きます。その結果、ドライブ バンチの航跡は巨大な電場を生成し、スピード ボートが水上スキーヤーを引っ張るように、他の電子を加速することができます。
7 年前、カリフォルニア州メンロー パークにある SLAC 国立加速器研究所の研究者は、研究所の有名な長さ 3 km の線形加速器からリチウム プラズマのチャンバーに電子のドライブ バンチを発射することで、非常に高いエネルギーを達成できることを示しました。 1 メートルもかからずに、プラズマから漂遊電子を 85 GeV (入力エネルギーの 2 倍) もの高エネルギーまで加速しました。しかし、加速された電子はごくわずかであり、非常に広範囲のエネルギーで放出されたため、ほとんどすべてのアプリケーションには適していませんでした.
現在、SLAC チームは、特別に調整された電子の追跡バンチをドライブ バンチの 200 マイクロメートル後ろに配置することで、さらに進んでいます。これは、両方が光速に近い速度で移動することを考えると、印象的な偉業です。そのトリックを管理するために、チームは実際に SLAC の線形加速器からの 1 つの電子バンチをより大きなドライブ バンチとより小さいトレーリング バンチに分割します。チームは今週 Nature で報告しています。 .加速される電子の数を増やすことに加えて、後続バンチ自体が後流の電場を均一にするため、すべての電子が同様の加速を経験し、エネルギーの広がりが 1% に減少します。重要なことは、36 センチメートルを超えて 20 GeV から 22 GeV にズームする際に、ドライブ ビームによって失われたエネルギーをより高い効率で大量の後続バンチが吸収することです。このような効率は重要なパラメーターであり、達成されたレベル (18%) は実用的な加速器を作るために必要なものに近いと SLAC の Mark Hogan は言います。
「これは大きな前進です」と、ノースカロライナ州ダーラムにあるデューク大学のエンジニア兼物理学者である Thomas Katsouleas は言います。彼はこの研究には関与していません。エネルギーの広がりと効率はまだ改善する必要があると彼は言いますが、「以前は 2 桁だったのに対し、私たちは 2 倍程度のことを話しているのです。」
それでも、特に電子駆動システムの実用化に関しては、多くの課題が残っています。レーザー駆動システムは、コンパクトな X 線源に電力を供給するために使用できる可能性がありますが、SLAC のような電子駆動システムは、素粒子物理学用のコライダーの構築にのみ適している可能性があります。その理由は、電子を生成するために従来型の加速器が依然として必要だからだと、テキサス大学オースティン校の物理学者 Michael Downer は言う。提案された ILC のエネルギーに匹敵するために、物理学者は何百ものプラズマセルに連続して電子束を通過させなければならないだろう、と Downer は言うが、これまでのところそのような「ステージング」を実証した人は誰もいない.
さらに重要なことは、ILC のようなコライダーを作成するには、SLAC チームが使用したスキームを変更して、電子とは異なる方法でプラズマと相互作用する陽電子を加速する必要があることです。その方法を知っている人は誰もいない、とダウナーは言います。陽電子を加速することは、電子を加速するより「約 10 倍難しい」と、ダウナーは見積もっています。
