素粒子物理学：独立したレーザープラズマ加速器の多段結合
Nature 530, 7589 doi: 10.1038/nature16525
レーザープラズマ加速器（LPA）は、極めて小型の構造において荷電粒子を非常に高いエネルギーに加速できる。そのため理論的には、こうした加速器は従来型の大規模な粒子加速器よりも利点がある。しかし、単段のLPAのエネルギー利得は、レーザー回折、離調（dephasing）、電子ビーム負荷、レーザーエネルギーの消耗によって制限される。レーザー回折の問題は、レーザーパルスの導波と予備形成された導波路を使って、レイリー長の数倍の距離にわたって必要なレーザー強度を維持すれば対処できる。離調は、プラズマ密度を縦方向に調節すれば緩和できる。ビーム負荷は電子ビームを適切な形状にすれば制御できる。ビームエネルギーをさらに高めるには、加速器を多段化し、各加速段に別々のレーザーパルスからエネルギーを供給するようにして、レーザーエネルギーの消耗の問題と取り組む必要がある。本論文では、そうした多段化を実証する実験から得られた結果を示す。プラズマミラーによって2段のLPAを短い距離（平均加速度勾配を保つのに必要）で結合させた。第一LPAから得られた安定な電子ビームは、放電キャピラリーに基づく能動プラズマレンズによって半径20 μmに集束して第二LPA中へ入射され、別のレーザーによって励起した航跡場と相互作用する。2段目の航跡場によって多段化した加速は、電子ビームの一部に対して100 MeVのエネルギー利得を経て検出された。2段目のレーザーパルスに対して電子ビームの到着時間を変化させることによって、時間的な航跡場の構造を再構成し、プラズマ密度を決定することができた。今回の結果は、多段化した加速器によって、レーザーエネルギーの消耗で生じるエネルギー利得の基本的限界を克服できることを示しており、衝突型加速器への応用に必要な電子エネルギーに到達する方法を示唆している。
