49■研究紹介

レーザープラズマ加速の進歩と課題と夢と— エネルギーフロンティアへの挑戦 —KEK 加速器研究施設

中 島

一 久

kazuhisa.nakajima@kek.jp
2005 年 8 月 29 日

1.

はじめに

したからである。実際、従来の技術でフェムト秒のバンチングから 100 MeV までの加速、低エミッタンスビームの生もうかれこれ一年になるが、Dream beam のタイトルで成まで行おうとしたら、テーブルトップでできないことは

Nature 2004 年 9 月 30 日号のカバーページを飾ったレーザ

加速器専門家なら誰でも知っていることだが、Nature の表ープラズマ加速を示すシミュレーション写真（図 1）をご紙は高品質ビーム生成の一連のプロセスが数 mm の加速空覧になった方もいらっしゃることと思う。ただ加速器研究間で起こることを示しており、先端加速器研究（advancedをしている方でも従来の高周波加速器に似ても似つかぬ格

accelerator）にとって十分インパクトのある快挙であった。

好の加速器の加速機構まで理解された方は少ないと思う。

実は、この事実は Nature 論文の一年前に産総研のグループ

また、もう少し理解や関心のあった読者は、いまさら 20 年

がプラズマ密度をコントロールすると単色ピークが出るこ

以上前の Tajima Dawson[1]の論文で知られる laser electronとを APS で発表しており、われわれも原研関西研の実験で

accelerator の古いアイデアの検証がそれほど Nature のトッ

その兆候を見つけていたが、電力中央研究所との共同研究

プ記事になるほど価値ある成果かと思われたことだろう。

で明確な単色化に成功したのは、去年 6 月に行われた米国

英米仏の三グループが独立に行い、同時に発表した成果のDOE 主催のワークショップ Advanced Accelerator Con-

価値は、初期論文が予想しなかった実用にかなう 170 MeV

cepts (ACC) 2004 で単色ビーム発生が話題になった後であ

単色電子ビームが 3 mm 径のパルスガスジェットに高強度る。

レーザーを集光しただけで発生できることを初めて実証しレーザー加速研究は 1982 年に Los Alamos で The Laserたことだ[2]。Dream beam の所以は 100GeV / m という驚異

Acceleration of Particles Workshop が開催されたことに始的な加速勾配やビームの自己単色化だけでなく、単純な高まる。以後米国では DOE の主催で Advanced Accelerator

周波加速器では不可能なフェムト秒、低エミッタンスビー

Concepts Workshop が主要な加速器研究所・大学がホスト

ムがテーブルトップサイズで自動的に得られることを発見となって二年毎に米国内で開催されている。国際的にもこのワークショップはこの分野の牽引力となって新規理論や実験結果の発表と議論の場となっているばかりでなく、次期ステップの研究目標設定を毎回行い、米国内だけである
が学生に対する支援もあって、最近は学生や若手研究者の参加が非常に多く、新分野を発展させる上で重要な若い頭
脳の啓発と教育の場となっている。
私も米国 AAC のプログラム委員を過去何度か務め、日本でも先端加速器研究で先導的役割を果たすような組織ま
たはプロジェクトの旗揚げと研究分野の拡大を狙って、数少ない研究者とともに関連分野との連携を視野に入れて何度か研究会をもったが、結局日本では大きな進展を見ていないのが実情で、むしろ国内の研究規模も研究者数も縮小

図 1 Nature 2004 年 9 月 30 日号のレーザープラズマ
加速を報ずるカバータイトル Dream beam と laser
wakefield シミュレーション。

傾向に向かっていることに非常な危機感をもっている。もともと開拓者精神が旺盛で長い研究の歴史をもつ米国や、
最近ヒットをいくつか放ち、研究分野のリーダーシップを

50
米国から奪った感のあるヨーロッパの状況はもとより、先

レーザープラズマ加速器コンセプトはこれら従来の高周端科学の分野で急速に伸びている中国、韓国、インドなど

波加速器の限界である 1GV / m 以上の加速電場勾配と高出のアジアの国々においてすら、Nature 効果は当然研究への力駆動パワー源の問題を解決してくれる。プラズマ加速の高い関心を呼び起こした。

単純なモデルは図 2 に示されるように一様な中性プラズマ

レーザー加速やプラズマ加速器については、かつて「高にレーザーパルスが入射するとレーザーパルスのポンデロ

エネルギーニュース」の誌面でも取り上げられたと聞いてモーティブ力によってプラズマ電子は選択的に排除されているし、「パリティ」や学会誌などで私自身紹介記事[3]をパルスの後流に電子密度波（プラズマ波）が励起される。

書いているほか、優れた解説記事がすでにいくつかの学術
レーザーウェーク場加速機構

雑誌に書かれているので[4]、本稿ではレーザープラズマ加

レーザーパルス
ウェーク電場

速器に関わる物理学的背景や加速機構に関して今更詳しく-- - - - --解説することはやめ、現在の研究の到達点に立って、最近の世界の研究動向と私が進めているアジアでの研究状況を述べ、高エネルギー関係者がもっとも関心をもっている高--レーザープラズマ加速とは

-

図2

+ +
+
+ +

- - - - -- - -

-

-

-

- -

エネルギーフロンティア加速器への展望に触れてみたい。

2.

+- - - - ----- - + + + +
+ + +

-

-

- - - -

-

- -

-

-

-

- -- -

-

電子バンチ

- -

+

+ ++
+ +
+
-

-

-

-

-

- -

Laser wakefield accelerator の加速機構

文字通りレーザーでプラズマの加速構造をつくり荷電粒

この場合イオンは十分重いので相互作用の間動かないと考子を加速するメカニズムのことである。ただプラズマは電える。プラズマ波の励起にはレーザーパルスの代わりに電離気体と呼ばれるようにイオンと電子がばらばらの状態に子バンチを使うこともできる。プラズマは電磁波の伝播になった物質にすぎないのでプラズマができただけでは粒子対して導波管と同様の分散関係をもっており、励起されるの加速は起こらない。加速すなわちエネルギーを増加させプラズマ波は電子バンチによって加速管やキャビティに励るには粒子の運動方向と電場の向きが一致（電子では逆向起される wakefield と同じである。この plasma wakefield のき）し続けなければ連続的に加速されない。高周波加速器

位相速度は駆動電子バンチの速度またはレーザーパルスのからの類推からも明らかなように電磁場の位相速度が粒子群速度と同じであるから、適当な加速位相に粒子を入射しと同じ（真空中の光速以下の）速さで伝播できる構造が必てやれば、あとは高周波加速と同じ原理で加速できる所以要である。この構造が高周波加速器では金属でできた加速である。それでこの plasma wakefield を用いる加速コンセ

管あるいは加速空洞（キャビティ）となっている。表面状

プトを Plasma Wake-Field Accelerator（PWFA）あるいは態にもよるが大体の物質は 1GV / m の電場のもとでは放電

Laser Wake-Field Accelerator（LWFA）と呼んでいる。電破壊を起こしプラズマ状態になってしまうので、金属空洞

子密度 n p [cm−3 ] の最大加速電場は E max ∼ n p1/ 2 [V/cm] で与中に電磁場のエネルギーを閉じ込めてもこれ以上の電場をえられるから、レーザープラズマでは容易に実現可能な発生させることはできない。現在のリニアコライダー計画

1018 cm−3 の電子密度で 100GV/m の加速電場が発生できる。

を含め通常の高周波加速器では 100 MV / m 以下であり、マ実際にこの LWFA の加速機構と数十 GV/m の驚異的な加ルチ TeV コライダーとして期待される 30GHz の超高周波速勾配を、私は 1993 年に阪大レーザー研の当時世界でも数を用いる CLIC でも加速勾配は 150 MV / m に設定されてい少なかったチャープパルス増幅型（CPA）TW 級固体レーる[5]。またキャビティ中で高電場を発生させるための高周ザーを用いて世界初の検証実験を行い確かめた[6]。その後、

波パワーは電場の二乗に比例して増加するから大出力クラT3 （Table Top Terawatt）レーザーと称される数十 fsec かイストロンが必要になる。 1GV / m の加速電場を通常のラら 1psec 程度のパルス幅をもち数 TW から 100 TW までのイナックで使われる 3GHz のキャビティで発生させるには

ピーク出力をもつ小型高強度レーザーが出現するとともに

1GW 以上のクライストロンが必要である。ご存知のよう世界的に研究が進展し、1000GV/m に及ぶ加速勾配と数百にクライストロンは電子ビームから高周波パワーを取り出

MeV までの電子ビームがミリメートルスケールのプラズすために金属キャビティからできた装置であるから、高出マで発生できることが明らかになった。

力化に限界がある。CLIC はこのクライストロンをもう 1

このレーザープラズマ加速研究の進展を加速器の発達を本の加速管に置き換え、大強度電子ビームが加速管中で発示すのによく用いられる Livingston chart 風に図 3 にプロッ

生する高周波を高勾配の加速管に直接導いて加速するコン

トしてみた。この図には 1931 年に創られた E. O. Lawrence

セプトで two beam accelerator と呼ばれる。

の最初の高周波加速器である table top cyclotron から始まって ILC 将来計画がめざす 1TeV に到る電子加速器の発達

51

1 TeV

1 GeV

Mechanism

Beam Energy

1 PeV
図3

PWFA
PBWA
LWFA

ILC

Accelerator, PBWA は Plasma

r

cc
na
o
r
t
c
Laser-plasmaeleelectronRFacceleration
experiments
1 MeV

RAL

SLAC

JAERI/KEK/UT
UCLA
KEK
ILE
KEK/ILEBNL

1970 1980
Year

は Laser Wakefield Accelerator

LULI

レーザープラズマ加速機構による分類を表す。

1990 2000 2010 2020の軌跡を同時に示した。到達エネルギーゲインについて云えば最高 3 ∼ 4 GeV になる。これは昨年 SLAC の FFTB で

3.

Beat Wave Accelerator, LWFA

LOA
LLNL
Michigan
RAL
NRL
MPI

SLAC

ANL

1930 1940 1950 1960

加速実験の Livingston chart
PWFA は Plasma Wakefield

SM-LWFA

rato
ele

レーザープラズマ電子

お

よ

び

SM-LWFAはSelf-Modulated Laser Wakefield
Accelerator のそれぞれ略号で、単色ビーム加速の成功

行われた電子ビーム励起の PWFA の実験結果で 30GeV ,従来のレーザープラズマ加速実験で得られた電子のエネ

1nC , 0.1mm バンチ長の電子ビームを 10 cm のプラズマ

ルギーは温度を定義できる Maxwell 分布かベキ乗則に従うに入射してそのエネルギーシフトを測定した実験である。

ような 100% の広がりを持っていた。このような熱的加速

1GeV 加速というのは高エネルギー加速器の最初のマイルは加速位相空間が非常に狭く、粒子の入射あるいは捕捉がストーンであり、図からも分かるように 1MeV 以下の原理

ランダムに起こることに起因している。このため単色ビー

検証実験から始まってほぼ 10 年で 1GeV の壁に到達したこ

ムを得るための方法の開発はレーザープラズマ加速が加速とになる。これに対し高周波加速器は 30 年近くを要してい器として認知されるための至上命題のひとつであり、いくる。そもそも Livingston chart は実用加速器として認知され

つか wakefield への電子入射方法が提案された。外部入射とた加速器ビームエネルギーの増強を年代順にプロットした

内部入射に大きく分けられるが、外部入射はフォトカソー

もので実用になっていない加速実験のビームエネルギーを

ド RF ガンなどの従来の技術を用いて wakefield の加速位相直接比較しても意味がないという批判を頂くことがある。

に整合する入射ビームをつくることを重視した方法で、内

しかし、このチャートは何をアピールしたいかによってい部入射は別のレーザーパルスを用いたり、プラズマ電子密

かようにも変形されて用いられていることをご存知だろう

度分布を制御してプラズマ電子を wakefield に直接入射すか。また、従来の高エネルギー加速器が国家的規模の巨大る方法が研究され、光入射あるいはプラズマカソードなど

プロジェクトで建設されたものであるのに対し、レーザーと呼ばれている。加速を制御しようとする点で一歩進んだ

プラズマ加速はいわば大学の実験室で実証されたものであ

アイデアであるが、フォトカソード RF ガン自身がまだ開る。原理の正しさが証明されたら規模を拡大し実用化する発途上で、ビーム系や光学系が複雑になって、実験的には

仕事はもはや純粋の意味で科学者の手を離れている。すな

難しくなかなか成功しなかった。Nature の単色ビーム加速

わち過去 10 年間の研究で 100 MeV の実用的強度の高品質

は内部入射の延長上にあるものであるが、30 ∼ 50 fsec の数

電子ビームが簡単なテーブルトップシステムで発生可能で十 TW クラスのレーザーパルスを使った加速実験が行えるあることをアピールしたい訳である。この時点で有用なツようになって、ガスジェットのプラズマ密度を精密制御しールとして実用化や物質・生命科学などへの利用研究が始ていたところ偶然、単色的なビームが得られた訳である。

められるべきで、その方面に研究が広がることは望ましい

ただし同じ条件下でも再現性は 10% くらいで、理論家によことである。しかし本来の研究の目的は従来加速器では到る我田引水的な説明は行われているが、決定的な発生メカ

達できない高エネルギーを実現することであった。これはニズムは分かっていない。図 4 に RAL-ICL グループのレー

高エネルギー加速器の使命でもあり、今後次の 10 年間にど

ザープラズマ加速実験で得られた電子エネルギースペクトのような目標をめざし進むべきか、この Livingston chart

ルを、図 5 にわれわれが電力中央研究所の共同研究で行っは教えてくれる。

た単色ビーム発生実験の結果を示す[7]。われわれの実験は、
比較的長パルス、低密度でも単色ビームが発生することを示している。

52

図 6 3D PIC シミュレーションが描く超相対論的レーザ
ーパルスによって形成されるプラズマ球状キャビティ（bubble）とイオンチャネル内に噴射された電子バンチ（W. Lu, UCLA の好意による）されるプラズマ電子の運動が相対論的になる強度）で励起
図 4 RAL-ICL グループのレーザープラズマ加速実験のセットアップ（上）と 11TW, 45 fsec レーザーパルス、プ
ラズマ電子密度 2 × 1019 cm−3 で得られた電子ビームエネ
ルギースペクトル（下）（S. Mangles, Imperial College London の好意による）される極限的な nonlinear wakefield によって起こるプラズ
マ電子の自己入射と加速のメカニズムで、その wake の形状
が 水 中 に で き る 気 泡 に 似 て い る の で bubble （ 気 泡 ）acceleration と呼ぶプラズマ理論屋さんもいるが、まさにbubble は加速空洞そのものである。噴出モデルによると単色ビーム加速の物理的描像は次の通りである。①平衡状態にあるプラズマ中をレーザーが伝播するときレーザー場のポンデロモーティブ力でプラズマ電子が吹き飛ばされ、パルスの後方には電子の空乏領域（気泡または空洞）ができる。イオンはほとんど動かないので電子空乏領域はイオンチャンネルとなっている。②吹き飛ばされた電子はパルスが通過したあとイオンチャンネルの収束力を受けてパルスの伝播軸に引き戻され、空洞後方の end cap から軸上の強い加速電場で空洞に再入射される。③一度電子が入射されるとイオンチャネルは電気的に中和（電子が loading）され

図 5 KEK-JAERI-CRIEPI グループによる 5.5 TW,
70 fsec レ ー ザ ー パ ル ス 、 プ ラ ズ マ 電 子 密 度
5 × 1018 cm−3 の加速実験で得られたビームエネルギー
スペクトル

るので加速電場は減衰し入射が止まる。この後のバンチン
グと加速のプロセスは高周波空洞における加速と同じである。違いは高周波空洞が金属でできた静止構造であるのに対し、プラズマの空洞構造はレーザーパルス自身がつくり、内部で電子ビームを加速しながらその群速度で動く。いわ単色ビーム発生のメカニズムが不明であるのは、ば光速飛行する加速空洞である。加速はパルスのエネルギ

wakefield の内部の構造を直接観測することができないからーが失われ、空洞が消滅するまで続く。噴出自己入射説はだが、PIC（Particle in Cell）コードによる三次元シミュレ

波破壊説よりも単色ビーム発生機構をよく説明してくれる。

ーションは単色ビーム発生の様子を如実に示してくれる。

ただ疑問がないわけではない。実験では噴出理論が要求す

図 6 は、単色ビームを発生するときの wake の 3D PIC シミるほど高いレーザー強度でなくとも単色ビームが得られてュレーションの結果である。これは blowout（噴出）モデいるからだ。しかしこのモデルはレーザーパルスが単にプルと呼ばれる相対論的なレーザー強度（レーザー場で加速

ラズマ波を励起する船の役割をするだけと考えられていた

53
初期のモデルが、無秩序状態のプラズマからミクロンサイ

が限度である。図 7 に台湾 IAMS グループが行った optical

ズの精巧な加速空洞という秩序状態を創り出し、さらにナ

guiding の実験例を示す。後者は高圧放電回路が必要である

ノメートルサイズの電子ビームを入射・加速生成するといが、長尺導波路を作ることができ、チャンネルのプラズマ

う互いに生物組織のように振る舞い、自己組織化過程を暗制御も可能である。私は今、キャピラリー放電型のチャン

示させてくれる点で、単に技術としての有用さに止まらなネル開発ではパイオニアであるヘブライ大学の A. Zigler 教

い新しい物理の存在を垣間見せてくれないだろうか。

授と共同研究を始めている。学生の杉山精博君がヘブライ大学に 2 ヶ月滞在して、世界最長となる 12 cm のプラズマ

4. 高エネルギー加速の課題

チャンネルの開発と TW レーザーパルスのガイディングに成功した。図 8 にガイディングの結果を、図 9 にはこの時高エネルギー加速を行うには加速距離すなわちプラズの実験セットアップとプラズマチャンネルの電子密度分布

マ長が必要となる。ガスジェットではノズルから超音速でを示す。また、LWFA のスケーリング則を用いれば 10 cm の噴出するガスにレーザーを集光するが、一様なガス密度（すプラズマチャンネルで 120 TW, 30 fsec の駆動パルスを入射

なわちプラズマ密度）が得られるノズルの長さはせいぜいすることにより 10GeV の加速が可能である。現在、これを1cm である。長いプラズマをつくるだけならガスを真空容実証するための国際共同実験を企画しており、日、中など

器に満たしたり、ガスセルを用いる方法も考えられるが、5 ヵ国のチームにより始められそうである。アジアにおけ100 fsec 以下のレーザーパルスで数 TW 以上の高強度レー

る関心の高まりと合わせ、次章で述べてみたい。

ザーではパルス長が伸びたり、ガスのプラズマ化により集光できなかったり、レーザービームが何本ものフィラメン

probe (50 fs) ignitor (55 fs) heater (80 ps)

ignitor

トに分裂するといった実際には多くの不都合な非線形光学

tprobe delay
KDP

heaterdelay

Heater delay Probe delay

Axiconたパルスのクォリティも再現性のある安定なビーム発生には重要な要因であることが分かってきて、これらの研究もPlasmaharmonic
combiner

進んでいる。集光したレーザービームは回折によりエネル
ギーを失い Rayleigh 長程度しか集光状態が続かない。このInjection

thin film
polarizer

効果が発生するため、集光するまでは真空中を伝播させなければならない。プリパルスや背景光、パルス形状といっ

probe
heaterCCD

injectionchamber pressure :Ar 600 torr (2.1 X 10 19-3cm)

CCD(A) camera

Ignitor : electrons seedingheater : waveguide driving
probe and injection:verification of waveguide(B) camera

長さは半径 10 μm のスポットに集光したとき高々 1mm 程
インは 100 MeV 程度にしかならない。したがって集光させたままレーザーパルスを 1cm 以上伝播させることができ
れば 1GeV 以上のエネルギーゲインが得られることは容易に分かる。これは optical guiding（光導波）と呼ばれ、そLight
focal spot profile
on relay-imaging system
100 μm2.0

Electron density
19-3( ×10 cm )度である。 100GV / m の加速勾配があってもエネルギーゲ

No plasma

600 torr (2.1 X 1019-3cm)
heater delay: 1.1 ns
probe delay: 1.2 ns
ignitor energy: 15 mJ
heater energy: 85 mJ

1.0

0.0
0.0

guided beam profile atthe end of plasma channel
on relay-imaging system

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

Position (mm)の方法を開発することは単色ビ− ム発生と同様、実用化す

図 7 台湾 IAMS グループによるレーザー励起プラズマる上で重要な要素技術として早くから取り組まれてきたが、光導波路の実験セットアップと長さ 12 mm にわたって決定的な成功例は報告されていない。光導波路は光ファイ生成されたプラズマチャネル

バー同様、半径方向に屈折率分布を作ってやればよい。プ（Szu-Yan Chen, IAMS の好意による）

ラズマでは中心の電子密度が低く、周辺部で高くなるようなチャンネルを作る。直径 100 μm くらいのプラズマチャン
ネルの構造をセンチメートルスケールでいかに安定に作る

500μm

97μm

かは簡単な問題ではなく、いろいろな方法が提案された。
今では繰返し使用可能な方法としてガスセルやガスジェッ
トにチャンネル励起用のレーザーパルスを集光してプラズマを生成し、その膨 張過 程 ででき る密 度 チャンネルに

wakefield 励起用のパルスを通すという完全にレーザーに依拠する方法と、キャピラリー管の両端に電極をつけ高電圧

図 8 Hebrew 大学での 0.3 TW, 30 fsec レーザーパルスを用いた 12.6 cm プラズマ光導波路ガイディング実験

をかけ、放電によりプラズマを発生させ、その膨張過程で左がガイドなし、右がガイドありのキャピラリー出口でのレーチャンネルを生成する方法がある。前者は光学系のみで構

ザープロファイル（杉山精博、総研大の好意による）

成可能であるのでシステムは簡単であるが、高々 1cm 程度

54
laser wakefield 加速の実験が中心になり、ビームエネルギーも強度も実用レベルまで向上した。また小型化の面だけではなくビームクォリティにおいて従来の高周波加速器では不可能な特質をもつことも明らかになった。エネルギーフ
ロンティアの探求において高周波加速器は限界に達していることが指摘されて久しいが、これに代わる高エネルギー
加速技術としてレーザープラズマ加速は最右翼にあると云える。75 年に及ぶ加速器の歴史においてエネルギーフロン

Capillary[CH2]nティアは常に新加速原理によって創られてきたことは

shunt

Livingston chart からも明らかであるが、新原理の発見・検

R3
L

R2

証から実用化され、その成果を手にするまでにはエネルギ
ーフロンティア加速器の場合 20 年から 30 年を要すると云Cわれている[10]。ILC に採用された超伝導高周波加速技術により最初のビーム加速実証実験が行われたのは 23 年前のコーネル大学である。幸い、私もこの世界初のビーム加速

R1

実験（電子蓄積リングの放射損失エネルギーを回復するだ

H.V.
(0~20kV)

導加速器の原理的側面、基本的技術は完成していた訳で実用化への体制づくりに 20 年という歳月がかかったという×1018 3.0 3[1/cm3]2.52.5

Electron density

けであったが）に携わる機会を得た。このときすでに超伝ことだろう。すなわちレーザープラズマ加速の場合、開発研究の速度は決して遅いわけではなく、原理検証研究の段

2.0 2階から実用化へのサイクルをいかに促進するかがむしろ問

1.51.5

われなければならない問題である。最も理想的にはレーザ

1.0 1

ープラズマ加速技術を用いる大型プロジェクトが推進され0.50.5

ることであるが、日本では先駆的な研究では先行した仕事

00-250 -200 -150 -100
-50
250
200 150 100 50

00

50
100
150
200
250
[μm]
50
100
150
200
250

Capillary radius

図 8 Hebrew 大学で開発された長さ 12.6 cm 、孔径0.5 mm のキャピラリー管（上）と放電回路（中）およびプラズマ分光計測により得られた電子密度分布（下）がなされたものの、実用化のプロジェクトが組織化できずに応用発展段階において世界から遅れてしまっている。このため国内の施設や研究者層が貧弱なわが国においては先端研究に関心が高く、研究施設をもつ国々との国際協力しかこの分野の研究を発展させていくことができないだろうと考えている。
欧米における advanced accelerator の研究が活発なのは

5. レーザー加速国際協力

今に始まったことではないが、ここ数年の変化は今まで

レーザー光で加速するアイデアは、レーザーがまだ光メ

個々の大学・研究所の中で小グループでやっていたのが、ーザーと呼ばれた時代からあって新しいことではない。霜中核となる加速器研究所などに統合されてひとつのプロジ

田は電磁場の位相速度をガス圧で制御する逆チェレンコフ

ェクトとして動き始めたことだ。米国では SLAC の ORION,

加速のコンセプトを提案し、実験的にも最も早くから試み

LBNL の L’OASIS, LLNL の PLEIADES, FNAL の FNPL,られたアイデアである[8]。レーザー場による加速は電子にMichigan 大の FOCUS, UCLA の NEPTUNE, ANL の AWA,よる放射過程の逆過程と考えられるので、未だに非プラズ

BNL の ATF, NRL の LIPA などである。ヨーロッパでは英マレーザー加速のアイデアは根強く残っている。レーザー

国の Strathclyde 大, Oxford 大, RAL や Daresbury Lab など

加速による単色化もアンジュレータ場で加速する逆自由電

による ALPHA-X, イタリア Pisa 大や Frascati Lab の子レーザー加速法で最初に成功した[9]。レーザープラズマ

PLASMONX が進行中であるほか、ヨーロッパの大学・研加速のアイデアは 25 年以上前であるが、実験的には 1980

究所を網羅する ELAN（Electron Linear Accelerator Net-

年代になって超短パルスレーザーが出現する以前は、二波work）という研究ネットワークがフランスを中心に活動し長レーザービート波でプラズマ波を励起するビート波加速ている。

の実験が行われていた。1990 年代になってチャープパルス

日本以外のアジアにおける研究の端緒は米国で学んだ研増幅の方法が開発され、小型高強度レーザーが普及すると究者が本国に帰って始めたり、直接には Nature の論文が刺55
激となっており、その関心の高まりは注目すべきものがある。とくに韓国、中国、台湾、インド、イスラエルにおいてはすでに研究が立ち上がり始めていて、昨年 3 月韓国で行われた APAC2004 の際に 6 ヵ国の研究者でアジア先端加速器研究会（Asian Advanced Accelerator Community）を結成した。11 月にはアシアにおける研究の推進を目的にACFA 内に Advanced Accelerator Research WG も発足し、
こ こ を 基 盤 に 共 同 研 究 FLASH-QUBE （ Frontier Laser

Acceleration Science on High Quality Quantum Beams）プ
ロジェクトを提案している[11]。これはアジア内のレーザー・加速器研究施設を用いて、① 10 MeV から 1GeV レンジの高品質電子ビームの発生と加速を行うテーブルトップサ
イズのレーザー加速器を開発し、②新しいコンパクトなフェムト秒 X 線源やテラヘルツ放射光源として実用化をめざす計画である。この計画は高強度レーザーが利用可能であれば現在の研究の到達段階において実現可能であり、学際的な色彩の濃い当分野において一致できる目標である。

1GeV までのテーブルトップレーザー加速器の実用化はコ
ミュニティの至近の短期目標となっており、欧米のいくつかのプロジェクトもこれを目指している。また GeV 加速はエネルギーフロンティア加速器への出発点であり、TeV へのスケーリングと技術的可能性もそのとき開けるという戦略である。これにはレーザーとして 100 TW クラスのフェ
ムト秒レーザーが必要で、各国ともこのレーザー開発を先行して進めている。日本では原研関西が早くに 100 TW を達成したが、残念ながら実験に利用できる体制になっていない。アジアでは中国がいわゆる先端レーザー開発において世界のトップレベルにあって、四川省綿陽市にある中国

図 11 CAEP の最高ピーク出力 300 TW 、パル ス幅
30 fsec の SILEX-I レーザーシステム（上）と 7 月に行われた第 1 回日中共同実験におけるレーザー集光時のプラ
ズマ CCD イメージ（下）長さ 10 mm の超音速ガスジェットノズル（日本製）上方に長さ5 mm のプラズマチャネルができ、 0.5 nC の電子ビームの加速を観測した。(Y. Gu, CAEP の好意による)

工程物理研究院（CAEP）では 300 TW, 30 fsec のレーザーを開発し、国際的な共同利用実験に供されている。私は 7のレーザーシステムとレーザープラズマ加速実験の模様を月末から 2 週間、CAEP・清華大のチームに加わり（図 10）、撮った写真である。9 月には国際共同研究としてマシンタ

日本からガスジェットを持ち込んで、中国では最初となるイムをもらっており、日本から原研のチームも加わり世界

レーザープラズマ加速実験を成功させた。図 11 は CAEP

最初の GeV 加速に向けた実験が行われる予定である。

500 TW に増強後、来春にはプラズマチャンネルを用いた
10GeV 加速計画を予定しており、日・中・米・仏・イスラエルが参加するエネルギーフロンティアに向けた国際協力を準備している。このほか中国では北京の中国科学院物理研究所（IOP）と上海光学精密機械研究所（SIOM）がそれ
ぞれ 300 TW および 1PW レーザーを独自に開発中で来年には使用可能になる。また韓国光州科学技術大学院（GIST）
も、すでに 30 TW を完成し、予備的な加速実験に成功し、今 100 TW を整備中である。インドもレーザープラズマ加速研究には非常に関心が高く、放射光源施設 INDAS がある
インドールの CAT とムンバイの TIFR では、 10 TW レー
ザーを導入し実験を始めており、さらに 100 TW クラスレ
図 10 中国工程物理研究院（CAEP）で行われた日中レー
ザー加速共同研究チームのスナップ
後方が直径 1 m の実験チェンバー、左端が筆者

ーザーを独自に開発すると言明している。数年のうちにはインドも確実に研究の仲間入りをしてくるはずである。

56

6. エネルギーフロンティアへの夢

決してくれる。PWFA のメカニズムは energy transformer
で一種のエネルギー回収型のプラズマ加速器である。ILC

去る 6 月にパリ大学のアンリ・ポアンカレ研究所で ICFA,

ができさえすれば afterburner を挿入するだけであるのでエICUIL, ENSTA, エコールポリテクニックなどの共催でネルギー増強計画において低コストの最有力候補となるだInternational Workshop on

ろう。まだ解決すべき課題は多いが、ドライブバンチと加High Energy Electron Accel-

eration Using Plasmas 2005（HEEAUP2005）が開かれた[12]。

速バンチ間隔が 1 ピコ秒程度のマイクロバンチ構造をつく

この会議は単色ビーム加速というブレイクスルーの上にたるという advanced technology が必要である。図 12 はこのって次のステップである高エネルギー加速を如何に実現す原理を示す plasma wakefield のシミュレーションである。

るか、さらに将来の高エネルギーコライダーに要請されるビームをレーザープラズマ加速で如何につくりだすかを課題として開かれた。会議の参加者は 80 名くらいにのぼり、
レーザー、プラズマ、加速器屋だけでなく、こういった会議には初めて加速器ユーザーである高エネルギー屋も主催する側に加わった。ワークショップは 3 日間だけであったが、同じ週の前半にはロンドンで Laser-Driven Plasma

Accelerators: new sources of energetic particles and radiation という Royal Society Discussion Meeting が開かれている。また中国では 11 月に北京でレーザー加速シンポジウムを中国科学院の主催でノーベル賞学者も加わって開くという話を聞いている。これら英、仏、中のレーザープラズマ
加速器に対するにわかな関心の高揚は次世代加速器として広く注目され始めた証である。
パリ会議の主題は主催委員長である CPA 高強度レーザーの発明者で現 LOA 所長の G. Mourou が提起したが、議論された要点は次の 3 点である。

図 12 Afterburner コンセプトによる plasma wakefieldのシミュレーションと最適加速位相 τ = 1psec （ TorRaubenheimer, AAC2004）①高周波加速に代わる加速技術：ビーム駆動プラズマ加速（PWFA）かレーザー駆動プラズマ加速（LWFA）の選択。
②マルチ TeV 重心エネルギーの可能性とその方法：single

stage（単段）か multi-stage（多段）かの選択。プラズマ
チャンネルの生成とチャンネル間のマッチング。

レーザー駆動方式の場合 ILC とのハイブリット方式も考えられるが 30 km もあるライナックの果てにレーザー加速器を付けても大してメリットがあるとは考えられない。コ
ンパクト化という観点からはオールレーザー方式が理想であるが課題は多い。単段加速と多段加速があるが、問題点は単段の場合、現実にはまだ存在しない高出力レーザーを③高ルミノシティ（ 1035 cm−2 sec−1 ）は達成可能か。

仮定しなければならないことであり、多段の場合 100 μm 径

これら 3 点はエネルギーフロンティア加速器をめざす次ののプラズマチャンネル 1,000 台をナノメータの精度でアラ

ステップで必ず最初に突きつけられる課題である。現時点

インメントし、ビームとチャンネルとのマッチングをどうでこれらの課題にはまったく答えが出ていない。初めて議するかという気の遠くなるような話がある。単段で 1TeV論のテーブルに載ったというところだ。ビーム駆動かレーまで加速するために必要となるレーザープラズマ加速器のザー駆動かは高エネルギー加速とともに高ルミノシティが設計値を UCLA の W. Lu は噴出モデルに基づくスケーリン

達成できるかできまる。

グから与えている（表 1）。これによるとレーザーエネル

ビーム駆動方式とは ILC をフロントエンドとし先頭バン
チをドライブビームとして後続バンチを 200 m の PWFA
（afterburner と呼ばれる）で 2 倍のエネルギーにブーストしてマルチ TeV を実現しようとする構想で、 SLAC のORION グループが基礎実験を FFTB で行っている[13]。この方式は高周波加速とのハイブリッド方式で、繰返し・エ
ネルギー効率の問題、強いては高ルミノシティの問題も解

ギーはプラズマチャンネル使う場合 120 kJ 、加速器長は280 m 、チャンネルを使用しない場合 1MJ 、加速器長 80 m
である。MJ レーザーは核融合または核兵器管理技術として
米・仏で開発されつつあるが高ルミノシティを得るためのkHz オーダーの高繰返し加速が可能かは現在の技術では否である。また高強度レーザーの効率は数%と RF クライス
トロンに比べ極端に低い。しかし、これをもって将来にわたってエネルギーフロンティア加速器の選択肢からレーザ

57

表1

できるので CPA のような発振器—パルスストレッチャー

1TeV LWFA の設計パラメーター—増幅器—コンプレッサーといった複合レーザーシステム
はいらなくなり、光変換効率の向上とコンパクト化がさら

20% プラズマ

一様プラズマチャンネル使用に押し進められる。まさに加速器ドライバーレーザーとし

120 PW

1000 PWて理想的かもしれない。コストについても言及があり、現Pulse duration

1 psec1 psec在のファイバーダイオードの価格は $10/ W であるのでPlasma density

2 × 1015 cm−3
470 μm

6.5 × 1015 cm−3
450 μm

150 MW レーザーで $1.5G すなわち 15 億ドル、約 1,500 億

Power

Spot radius w 0
Length280 m

円ということである。プラズマ加速管自体はたいしてかからないから多く見積もっても 3 TeV レーザーコライダーの

80 m

a0

4

12.1

Charge40 nC

120 nC

Energy1.12 TeV

1.012 TeV

建設費用は 20 億ドル、約 2,000 億円だろうという。ファイバーレーザーは光通信分野や産業用レ− ザーとして今後ますます発展が見込まれるので量産化が進めばコストはさらに下がることが期待できる。すなわちマルチ TeV コライダ

a 0 = 6.8P 1/2λ / w0 は無次元ベクトルポテンシャル。

ーのキャピタルコストも一国で建設可能な範囲に入ってくP[TW] はピークパワー、レーザー波長は λ = 0.8 μm 。
(W. Lu, HEEAUP2005)

ることを意味している。この際、高周波加速器と異なり、サイトはせいぜい 1km で既存の加速器施設に納めることープラズマ加速器を外してしまって顧みないということでができるであろう。

は高エネルギー物理に未来はない…と思う。産業界においエネルギーフロンティアコライダーを考えるとき、なぜてレーザーの市場規模は高周波加速器に使われる高出力ク

将来のオプションとしてプラズマにこだわるのか。単に加ライストロンの 100 倍近いという現状をご存知だろうか。

速勾配が著しく高いだけでなく、ルミノシティを得るため

先端レーザーと光関連技術は日進月歩で、次々と新しい製のビームフォーカスと陽電子源をどうするかもレーザープ品技術が産み出されている。効率が 40% を超すファイバー

ラズマで解決できそうだからだ。もともとプラズマのピンレーザーもすでに光通信分野ではできている。G. Mourou

チ効果を使って荷電粒子ビームの収束を行うアイデアは古は最近もっとも進歩の著しいこのファイバーレーザーを用くからある。リニアコライダーにおいても加速よりもビー

いて CLIC のマシンパラメータを例にとり 3 TeV コライダ

ム収束に、従来の電磁石よりも 4 桁も高い収束勾配を発生

ーをレーザー加速器で造った場合の駆動レーザーを提案し、できるプラズマレンズを用い final focus を著しく短縮する

その可能性を約束するトークを行った。

アイデアが提案された。われわれも日米協力で SLAC の

重心系のエネルギー 3 TeV の CLIC ではバンチ当たり

FFTB において 30GeV 電子・陽電子ビームの収束効果を確

4 × 109 個の電子をメインライナックで 1.5 TeV まで加速す

かめる実験を行った[14]。前述のように wakefield には強いる。このために必要なエネルギーは 1kJ である。LWFA で収束力があり加速中も外場による収束を必要としないし、レーザーエネルギーのうち wakefield を励起して加速に使

final focus に自己収束型のプラズマレンズを用いればルミ

われる効率が 20% とすれば必要なパルスエネルギーはノシティの増大に著しく貢献する。すなわちオール・プラ

5 kJ となる。パルス幅を 100 fsec とすれば駆動レーザーパル

ズマコライダーが可能である[15]。

スのピークパワーは 50 PW である。2 本のレーザーライナ

陽電子源をどうするか、オール・レーザープラズマ加速

ックを駆動するため の平 均 パワー はパ ル スの繰 返しを器に挑戦する立場からは難題であるが興味深いテーマであ

15 kHz とすれば 150 MW となる。ファイバーレーザーのる。ご存知のように陽電子は自然界に存在しないから高エAC-光変換効率は 20 ∼ 40% なので間をとり 30% とすると

ネルギー電子を物質にあて電磁シャワーから創りだす。もtotal AC power は 500 MW となり、ほぼ CLIC と同程度にちろんレーザープラズマ加速でも電子ビームを加速し、なる。現在ファイバ ーレ ー ザーの 飽和 フ ルーエンスはHigh-Z ターゲットにあて陽電子ビームをつくる実験が行わ

100 J / cm でファイバー1 本当たりのレーザーエネルギー

れている[16]。もっと効率的に陽電子ビームをつくり出し加は 1mJ である。したがって 2 ビームを加速するための駆動

速する方法はないかというのも、今 advanced accelerator

7の重要なテーマである。最近、high energy density physics

本のファイバーレーザーがあればよい。1 本あたり 100 μm（高エネルギー密度物理）という研究分野が生まれている径のファイバーであれば内部にプラズマ加速管を通すよう[17]、というよりも従来のレーザー（高強度場科学）、プラにした中空構造にしても外径 1m の大きさにしかならない。

ズマ、加速器、ビーム物理を大きく一つに括ったような分

ファイバーレーザーはそのままで高出力超短パルスを発生野である。これには宇宙プラズマや宇宙物理も入っている。

2

パルスエネルギー 2 × 5 kJ = 10 kJ を発生するためには 10

もちろん既成のどの分野からも継子扱いされてきたレーザ

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ープラズマ加速器も立派な構成員である。この宇宙プラズ呼ばれる地区にある。レーザー研究では中国は 1960 年にマには高密度電子・陽電子プラズマがあり、ガンマ線バー

IBM が世界最初の発振に成功した翌年に最初のレーザーをスト源と関係があると考えられている。高強度レーザーを造っている。日本で最初のレーザー発振が何時か知らない

用いて宇宙と同じ環境を造り出し高エネルギー現象を地上が、いまだに科学研究用レーザーは外国製品に頼っている。

実験で探索できないかというのが実験室宇宙物理の立場だ

CAEP は世界トップクラスの高強度レーザーを 3 年間で開が、ここで提案されている電子—陽電子ペアプラズマの生発し、利用研究に休みなく使っている。日本のトップレー

成法がコライダービーム源に応用できないかと考えている

ザーを使った私の経験からすると先端レーザー自身がまだ[18]。簡単に述べると高強度レーザーを High-Z ガスに集光

まだ研究段階で、安定な運転が要求される加速器の応用はし、プラズマの電子運動エネルギーが γ > 3 以上になる相まだ先になるだろうというのが正直な感想だった。しかも対論的プラズマができると原子核の場と相互作用し対発生実験がうまく行かなくなったとき、日本では考えられない

するトライデント過程が起こる。この生成した電子陽電子

が、マシンタイムを延長し一週間の夏休みを返上して全員ペアを同時に wakefield で加速し衝突させるというアイデが実験の成功まで頑張ってくれた。最後に結果が出て全員アである。これによってビーム物理の立場からは空間電荷で乾杯をしたとき胸に熱いものが込み上げ、酔ってしまっ

力を減じ、衝突時のビーム崩壊をなくすことを狙っている

たのは 50 何度の強い地酒と辛い四川料理のせいばかりでが、素粒子過程からもペアビームコライダーができたら対はなかった。綿陽は詩仙李白と三国志の古里でもある。

称性に絡む面白い物理ができるかもしれないというコメン
トをパリ会議で H. Videau, Ecole Polytechnique がしてくれた。

7. おわりに────────────

最後に執筆の機会を与えてくださった高橋徹氏と誌面の学会や学会誌などにレーザープラズマ加速器の研究紹介

校正に奮闘いただいた武藤建一氏に感謝申し上げる。本稿を何度か頼まれているが、その都度、非常に初歩的な用語がレーザープラズマ加速や先端加速器研究理解の一助になの定義から始めなければならないほど、日本では加速器専れば幸いである。また忌憚のないご意見、ご叱咤をお寄せ門家でさえなじみの薄い特異なジャンルであると思われて頂ければ、さらに研究の励みとなるであろう。

いる。最近 AAAC をともに立ち上げた 5 ヵ国を訪問する機会を得て、その国の大学や研究所でのシンポジウムやセミナーに招かれ、レーザー加速器に関する講演を行ったが、研究者の関心の高さとともに専門家の理解の深さに驚かされた。それゆえ逆に日本における人気の無さ、研究が根付かないのは何故かと考えさせられてしまった。

参考文献[1] T. Tajima, J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett., 43 (1979)
267.

レーザーや加速器といった研究はあらゆる科学研究にお[2] S. P. D. Mangles et al., Nature 431 (2004) 535; C.G.R.

けるエンジンの役割を担っている。日本の科学技術がこのGeddes et al., Nature 431 (2004) 538; J. Faure et al.,

エンジンの開発に遅れをとってきたことは原子力や宇宙開

Nature 431 (2004) 541.

発だけではない。逆に、中国やインドが高い関心を示し、重点分野として国が積極的に研究を推進し始めたのは 21
世紀の科学技術競争を制するエンジンと認識しているからだろう。レーザープラズマ加速器はハードボイルドな研究
分野が 3 つも融合してできた分野である。どうも日本人の感性には合わないジャンルであるからかも知れないが、グ
ローバルな視野で研究を進めていくならば自ずと活路が開けるものと楽観している。
余談になるが、共同研究を始めた CAEP のある綿陽（Mian-Yang）は四川盆地にある地方都市で、最近の中国の経済発展を裏付けるかのような近代的な街造りが急ピッチで進む科学研究都市である。研究所はまさに「科学城」と[3] 中島一久「超短パルスレーザーを用いる粒子加速器」
パリティ, 11 (1996) 34;「レーザーウェーク場による電子加速」放射線化学, 70 (2000) 43; 「超高強度場科学の最前線 —レーザー高エネルギー物理の可能性—」日本
物理学会誌, 56 (2001) 667; 「超高強度レーザーとプラズマの相互作用による粒子加速 」真空 45 (2002) 687.

[4] たとえば E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting,
IEEE Trans. Plasma Science 24 (1996) 252.
[5] G. A. Loew, “Report from the international linear collider technical review committee,” Proceedings of the2003 Particle Accelerator Conference (2003) pp.647-651.
[6] K. Nakajima et al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 4428.

59[7] A. Yamazaki et al., Physics of Plasma, to be published.
[8] K. Shimoda, Applied Optics 1 (1962) 33.
[9] W. D. Kimura et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 054801.

追記
われわれコミュニティにとって重要な ICFA workshop

series となっている Laser-Beam Interactions と Laser andPlasma Accelerators の 二 ワ ー ク シ ョ ッ プ が 台 湾大 学 と[10] M. Tigner, Physics Today, 54 (2001) 36.

KEK の共催で 12 月 12–16 日に台北の台湾大学で開催され[11] K. Nakajima et al., “Frontier Research and Develop-

るので、この場を借りて「高エネルギー物理学研究者会議」

ment on Advanced Accelerator Physics and Technology

会員の皆さんにお知らせしたい。

in Asia,” available in URL:

[12] ワークショップ URL: http://polywww.in2p3.fr/

ICFA 38th Beam Dynamics
and9th Advanced & Novel Accelerators
Joint Workshop
onactualites/ congres/heeaup2005/ でトークのLaser-Beam Interactions

presentation ファイルがダウンロードできる。

andhttp://acc-physics.kek.jp/sokensympo/
AAAC-homepage/1stAAACmeeting/
ACFAWG_AAR&D.pdf

Density Physics,” The National Academies Press

Laser and Plasma Accelerators
4th LBI Workshop and 7th LPA Workshop
jointly held in celebrating
the United Nations International Year of Physics
Co-organized by
National Taiwan University (Taiwan) and KEK (Japan)
National Taiwan University, Taipei, Taiwan
December 12−16, 2005
http://hep1.phys.ntu.edu.tw/~ytshen/icfa/index.html
Co-Chairs:
W-Y. Pauchy Hwang, National Taiwan University
Shin-ichi Kurokawa, KEK
Conference Topics:(2003)

The workshop will address the most recent results and[13] T. O. Raubenheimer, “An Afterburner at the ILC: The
Collider Viewpoint,” AIP Conference Proceedings 737(2004) 86.
[14] J. S. T. Ng et al., Phy. Rev. Lett. 87 (2001) 4801.
[15] K. Nakajima, “Laser Ponderomotive Electron-Positron
Collider,” AIP Conference Proceedings 737, 614-620(2004).
[16] C. Gahn et al., Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 2662.
[17] National Research Council, “Frontiers in High Energy[18] K. Nakajima, “Electron-positron pair-beam production

prospects on the following topics:

and acceleration in ultra-strong laser-plasma interac-• Physics and applications of laser-beam and plasma in-tions,” Quantum Aspects of Beam Physics 2003, World

teractions, including the generation of energetic particles,

Scientific (2004) pp.218-231.

high-energy Gamma rays, short-pulse X-rays and Tera
Hertz radiations• Laser applications for beam and plasma diagnoses, andbeam cooling and handling• Laser and plasma particle acceleration concepts and ex-

periments including computer modeling of experiments• Mono energetic high quality particle beam generation inlaser-plasma accelerators: mechanism, control and applications• Over-GeV laser-plasma accelerator technology• Extreme high-energy accelerator and collider concepts• High energy density beam-plasma physics including

Laboratory astrophysics• High energy density astrophysics including ultrahighenergy cosmic ray acceleration, Gamma ray burst andCosmic jet• Fundamental physics related to laser and particle beams