非線形磁気音波における磁力線方向の電場と粒子加速

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磁気流体現象における磁力線方向の電場(平行電場)と粒子加速を中心課題として研究を進めてきた。昨年度までの研究では、非線形磁気音波中の平行電場の理論を確立した。これにより、無衝突プラズマにおける低周波の磁気流体的な揺動であっても、強磁場中の大振幅波では平行電場が強くなることを示した。本年度は、この理論を「衝撃波による粒子加速」に適用し、粒子加速研究をいっそう発展させた。本研究では、衝撃波中の粒子加速の中でも特に平行電場の寄与が重要な陽電子の磁力線方向への加速について、従来よりもエネルギーが1桁高い加速(ローレンツ因子γが10^4程度)を実証することを目指して、衝撃波の相対論的電磁粒子シミュレーションを行った。シミュレーションには、衝撃波伝播方向に長い距離をとるために、空間1次元(速度3次元)の電磁粒子コードを用いた。また、グリッド数は10^5程度とした。その結果、一様外部磁場中を伝播する衡撃波のシミュレーションで、最終時刻(ω_<pe>t=7000)までにγ～10^4まで加速された陽電子を観測した。荷電粒子の運動と電磁場の発展とを自己無撞着に解く相対論的電磁粒子シミュレーションで、ローレンツ因子がγ～10^4の加速を実証した例はこれまでなく、本研究の結果は粒子加速研究に大きなインパクトを与えるものである(なお、乱流のシミュレーションで報告されているのはγ≦10にとどまる)。