実験用粒子加速器が電子を波動で加速

SLAC国立加速器研究所の線形加速器は、カリフォルニア州スタンフォード大学のすぐ西で草や木々をかき分けて2マイルにわたって走っており、その軌跡は上空からでもはっきりと見える。現在、同じキャンパス内の研究所では、長さ36センチの装置が同じことを行う予定だ。

この装置はプラズマ航跡場加速器で、エンジニアたちが何十年も研究してきた技術である。その目的は、電子を光速に近い速度で衝突させることだ。加速器の名前の「航跡場」は、高温のプラズマの波の実際の航跡を指し、その中で電子は速度とエネルギーを得るとされている。他の粒子加速器と同様に、プラズマ航跡場加速器は、宇宙の最も小さな粒子や最も基本的な物理法則を調べる実験を可能にするはずだ。

実用的なプラズマ航跡場加速器は、既存の電子衝突装置よりも少ない電力と少なくとも100倍のスペースでこれらすべてを実現できるはずであり、将来の納税者と物理学者のコストを節約できる。「私たちは、物理学を前進させることを可能にする次の新技術を探していますが、それを現実的で社会にとって手頃な方法で実現する必要があります」とSLACのプラズマ加速研究者マーク・ホーガン氏はポピュラーサイエンス誌に語っている。

プラズマ航跡場加速器が電子を加速する方法は独特です。これは、スーパーカリフォルニアのスポーツであるサーフィンによく例えられます。物理学者はまず、熱いリチウム プラズマの小さなチャンバーに電子の束を送り込みます。これにより、プラズマ内に巨大な波が発生します。次に、物理学者は 2 番目の電子の束をその波に送り込みます。これらの電子が波に乗ると、大きな電界が発生し、短い空間で大量のエネルギーを得ることができます。

この技術が、より大型の技術を引き継ぐまでには、まだ道のりが長い。また、まだ初期段階であるため、今後 10 年または 20 年で他の技術が勝利するかどうかは未知数である。しかし、今日、ホーガン氏と彼の同僚は、プラズマ航跡場加速の画期的な成果を達成したことを発表した。ノルウェー、中国、ドイツ、カリフォルニアのその他の大学の科学者を含むこのチームは、電子の束の 1 つ 1 つに約 16 億電子ボルトのエネルギーを注入した。その結果得られた電子ビームは、ホーガン氏によると、「衝突型加速器に投入されるビームのように見える」という。

ホーガン氏と彼のチームが本日報告した結果によると、電子は周囲の波から平均して 18 パーセントのエネルギーを抽出することができた。チームがこの実験で以前に試みた際には、波から十分な量のエネルギーを抽出することはできなかった。

物理学者がプラズマ航跡場加速器について初めて理論化したのは1970年代後半から1980年代前半だったが、それが機能する可能性を示し始める技術が存在したのは2000年代以降になってからだった。

ホーガンと彼のチームは電子のエネルギーを増強できることを実証したが、次に取り組むべき課題はいくつかある。彼らは、より高品質で高密度の電子ビームを増強する方法を見つけ出したいだろう。衝突には密度が高いほど良い。また、彼らが作ったような装置をいくつかつなげたいだろう。科学者たちは、大型線形加速器を置き換えるには 1 台では不十分だということをずっと知っていた。同期して作動する装置が多数必要になるだろう (全体の大きさは依然として数マイルではなく数フィートになると予想されている)。最後に、彼らはプラズマ航跡場を利用して電子だけでなく陽電子も意味のある加速を行えるようにしたいだろう。

ホーガン氏とその同僚は本日、その研究結果をネイチャー誌に発表した。