写真クレジット: DESY/SciComLab

「加速器は素粒子物理学の中心的なツールです」とVATのセールス・マネージャーであるJürg Öhri氏は説明します。「これらの巨大な装置は、私たちの宇宙が何でできているのか、元々の構成要素がどのようなものなのか、そして何がすべてを支えているのかについて、決定的な手がかりを与えてくれます。例えば、自然界の基本的な力がどのように伝播するかを明らかにしたクォークや、他の粒子に質量を与える素粒子であるヒッグス粒子の発見を可能にしました。」

現世代の粒子加速器は、高周波（RF）空洞を使って粒子ビームを高い運動エネルギーレベルまで引き上げてから、他の粒子に衝突させます。これらの衝突を分析することで、科学者たちは素粒子の世界の構造や自然の基本的な法則を知ることができます。しかし、素粒子の振る舞いをより深く理解できるような高いエネルギーを達成するためには、世界最大の加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）よりもさらに大きな装置が必要となります（スイス・ジュネーブにあるCERNの施設）。世界最大の加速器であるLHCは、1周27kmの地下リングに設置されています。

「さらに大きな加速器を設計・建設するには、莫大な費用がかかります。」とJürg Öhri氏は説明します。「このような大型施設を実現するための資金は、世界的な研究協力によって求められていますが、素粒子物理学の研究者の中には、別の解決策を模索している人もいます。彼らの目標は、より小さな設置面積で、既存のシステムよりも高いエネルギーレベルと優れたビーム品質を備えた新しい粒子加速器を、より低コストで建設することです。これまで不可能と考えられていたこのコンセプトは、新技術であるプラズマウェイクフィールド加速器によって実現するかもしれません。"

プラズマ波でサーフィン

プラズマウェイクフィールド加速器は、レーザーや電子・陽子ビームを用いて、プラズマ中を光速に近い速度で進む電荷波を発生させます。これにより、粒子はプラズマ波の上をサーフィンすることができ、既存の加速器よりも短い距離で粒子を高いエネルギーレベルまで加速することができます。

「このコンセプトが成功すれば、プラズマ加速器のサイズとコストを大幅に削減することができます」とJürg Öhriは強調します。

現在の粒子加速器で使用されているRF空洞に代わるプラズマ波技術をさらに発展させれば、より短い距離で電子ボルト（eV）のエネルギーを指数関数的に増加させることができます。CERNの "Advanced Proton Driven Plasma WAKEfield Accelerator Experiment"(AWAKE)の初期結果では、わずか3cmの距離で10億電子ボルト（1ギガ電子ボルト）に達した。

「通常の加速器では、同じエネルギーレベルを発生させるためには、150～200メートルの距離が必要です」とJürg Öhri氏は意気込みます。「最近の結果では、わずか9cmの距離で4ギガ電子ボルト、さらに20cmの距離で8ギガ電子ボルトという驚異的な値を達成しました。これは驚異的なサイズダウンです！」

世界的な研究開発の取り組み - VATも

AWAKEは、より小型の加速器技術を求めて行われている数多くの研究開発の一つに過ぎません。カリフォルニア州のバークレー研究所やSLAC（スタンフォード大学）のFACETプロジェクトをはじめ、ドイツのハンブルクとベルリン近郊のツォイテンにあるDESY（ドイツ電子シンクロトロン）のLAOLAプロジェクト、ユーリッヒのJuSPARKなどが、新しいソリューションの開発に取り組んでいます。例えば、DESYでは、レーザーの代わりに粒子ビームを使ってプラズマ波を発生させるコンセプトをテストしています。

このような新しいコンセプトは、真空バルブなどのシステム部品にも新たな要求をもたらします。そのため、VATの研究開発チームは、必要な技術的ソリューションを提供しています。VATの開発チームは、これらの実験の高エネルギー環境における特定の要件に焦点を当てています。例えば、非常に高速で正確なバルブ機能や、極端な温度や放射線条件に対する長期的な高い耐性などです。異なるバルブ機能を単一のコンパクトで省スペースなアセンブリに統合することも、VATのプラズマ関連プロセス用真空バルブの拡大するポートフォリオが考慮している点です。

Jürg Öhri氏は次のように述べています。「ウェイクフィールド・コンセプトのさらなるテストが進行中です。加速器のプロトタイプに搭載されているVATバルブも期待通りの性能を発揮し続けており、性能と信頼性に関するプロジェクトのマイルストーンを常に満たしています。」