Positron acceleration in a plasma column

Abstract

The particle physics community has expressed significant interest in a 10 TeV-class electron-positron collider to advance our understanding of matter. However, the costs associated with such a collider using conventional radio-frequency technology seem to be prohibitive. Thus, significant research and development is needed on the accelerator side to reduce both construction and power consumption costs.

Plasma-based accelerators, due to their extremely high accelerating gradients, are a potential solution to reduce construction costs. Although significant progress has been made in plasma-based electron acceleration in recent years, positron acceleration still poses a notorious challenge and has been identified as a critical point in the realization of a plasma-based electron-positron collider. Additionally, plasma-based positron acceleration, while preserving the required high beam quality for a collider, is challenging even conceptually and difficult to model with currently available simulation tools.

Positron acceleration in a plasma column is a promising new concept owing to its high accelerating gradient and the ability to preserve positron beam emittance, a fundamental requirement for a collider. In this scheme, a relativistic electron beam travels along the axis of a plasma column, driving a plasma wake in the blowout regime. Due to the finite radius of the plasma, the restoring force acting on the plasma electrons is reduced and the plasma electrons return in a long, high-density electron filament to the axis some distance behind the driver. This electron filament generates high-gradient accelerating and focusing fields for positrons. However, questions regarding stability and beam quality remain.

In this thesis, positron acceleration in a plasma column is put to the test. Beyond proof of concept, the acceleration of high-quality positron beams and its resilience to realistic conditions, such as misalignment is demonstrated. Realistic plasma profiles and temperature effects are also considered and found to be beneficial to the scheme. The results show that positron acceleration in a plasma column is indeed a viable concept for a possible collider application, although additional research is needed to optimize efficiency. Furthermore, the GPU-accelerated, quasi-static Particle-in-Cell code HiPACE++ has been developed. The new code allows for modeling plasma-based positron acceleration scenarios in full 3D with previously unattainable precision while drastically reducing computational costs, enabling the studies presented. An outlook for the next possible steps towards a plasma-based collider is given.

Die Gemeinschaft der Teilchenphysik hat großes Interesse an einem Hochenergie-Elektron-Positron-Kollider geäußert, um das Verständnis von Materie zu erweitern. Die damit verbundenen Kosten scheinen jedoch unerschwinglich zu sein. Um sowohl Bau- als auch Stromverbrauchskosten zu reduzieren, ist daher erhebliche Forschung und Entwicklung der Beschleunigertechnologie erforderlich.

Plasmabasierte Beschleuniger sind aufgrund ihrer extrem hohen Beschleunigungsfelder ein vielversprechender Ansatz, um die Baukosten zu reduzieren. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei der plasmabasierten Elektronenbeschleunigung erzielt wurden, stellt die Positronenbeschleunigung immer noch eine ungelöste Herausforderung dar und wurde als entscheidendes Problem bei der Realisierung eines plasmabasierten Elektron-Positron-Kolliders identifiziert. Darüber hinaus ist plasmabasierte Positronenbeschleunigung, unter Berücksichtigung der erforderlichen hohen Strahlqualität für einen Kollider, selbst konzeptionell herausfordernd und schwer mit den derzeit verfügbaren Simulationswerkzeugen zu modellieren.

Die Positronenbeschleunigung in einem Plasmazylinder ist ein neues, vielversprechendes Konzept aufgrund der hohen Beschleunigungsfelder und der Erhaltung der Emittanz bei der Beschleunigung, welches ein fundamentales Kriterium für einen Kollider darstellt. Im Schema durchläuft ein relativistischer Elektronenstrahl einen Plasmazylinder auf der Achse und treibt eine Plasmawelle im Blowout-Regime. Durch den endlichen Radius der Plasmas verringert sich die Rückstellkraft, die auf die Plasmateilchen wirkt, und durch die verzögerte Rückkehr formen die Plasmateilchen ein langes Filament mit hoher Elektronendichte auf der Achse. Dieses Elektronenfilament erzeugt Beschleunigungsfelder und Fokussierfelder für Positronen mit hohen Feldgradienten. Trotzdem blieben einige Fragen bezüglich der Stabilität und der Strahlqualität noch ungeklärt.

In dieser Arbeit wird die Positronenbeschleunigung in einem Plasmazylinder auf die Probe gestellt. Über den Beweis des Konzepts hinaus wird eine Beschleunigung von Positronen mit hoher Strahlqualität und ihre Widerstandsfähigkeit gegen realistische Bedingungen wie Fehlstellungen demonstriert. Realistische Plasmaprofile und Temperaturauswirkungen werden ebenfalls betrachtet und als vorteilhaft für das Konzept befunden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Positronenbeschleunigung in einem Plasmazylinder in der Tat ein praktikables Konzept für eine mögliche Anwendung in einem Kollider ist, auch wenn noch weitere Forschung zur Optimierung der Effizienz erforderlich ist. Darüber hinaus wurde der GPU-beschleunigte, quasi-statische Particle-in-Cell-Code HiPACE++ entwickelt. Der neue Code ermöglicht die Modellierung plasmabasierter Positronenbeschleunigungsszenarien in voller 3D-Darstellung mit bisher unerreichter Präzision bei gleichzeitiger drastischer Reduzierung der Rechenkosten, was die vorgestellten Studien erst ermöglichte. Es wird ein Ausblick auf die nächsten möglichen Schritte hin zu einem plasmabasierten Kollider gegeben.