近年、レーザー駆動型粒子加速は、高エネルギー物理実験と医療施設で使用される従来の放射性波動加速器のコンパクトな代替手段として大きな注目を集めています。レーザー駆動の加速は、イオン化ガスである強度レーザーパルスとプラズマとの相互作用に基づいています。高出力レーザーパルスがプラズマと相互作用すると、電子とイオンを非常に高いエネルギーに加速できる強力な電界と磁場を生成できます。
ただし、レーザー駆動加速度の課題の1つは、加速粒子の品質を維持することです。単一のレーザーパルスを使用して粒子を加速すると、加速プロセスが不安定になる可能性があり、加速粒子のエネルギーと軌跡の変動につながります。これにより、実際の設定でのレーザー駆動加速度のアプリケーションが制限されます。
これらの課題を克服するために、Sentoku Yasuhiko教授率いる大阪大学の研究者は、複数のレーザービームレットを使用した新しいアプローチを調査しました。単一のレーザーパルスを複数のビームレットに分割し、特定の方法でそれらを再結合することにより、研究者は電子とイオンのより安定した制御加速度を達成することができました。
彼らの実験では、研究者は大阪大学のレーザー工学研究所（ILE）で「10 PWレーザー施設」と呼ばれる高出力レーザーシステムを使用しました。レーザーシステムは、10ペタワット（PW）のピーク電力で超強力レーザーパルスを提供できます。これは、米国全体の総電力消費電力に相当します。
複数のレーザービームレットを使用することにより、研究者は、単一のレーザーパルスの場合と比較して、電子とイオンの両方の加速度が改善されたことを観察しました。加速された電子はいくつかのGEVのエネルギーに到達し、加速イオンはいくつかのMEVのエネルギーに到達しました。加速された粒子の品質は、エネルギーの広がりと角度の発散の観点から、複数のレーザービームレットを使用して大幅に優れていました。
粒子加速性能の改善は、複数のレーザービームレットとプラズマの間のより安定した制御された相互作用に起因していました。複数のビームレットを使用すると、レーザー強度と位相分布のより良い制御が可能になり、より効率的な加速とビーム品質が向上しました。
研究チームは、複数のレーザービームレットの使用が、コンパクトで効率的で、高品質の粒子ビームを生産できる次世代レーザー駆動粒子加速器の開発への道を開くことができると考えています。このような加速器は、高エネルギー物理学の基本的な研究、医療および産業目的のためのコンパクトな放射線源、X線顕微鏡や断層撮影などの高度な画像技術など、幅広い用途を持つことができます。
