量子線源への応用を目指した高強度レーザー駆動高温輻射プラズマ形成過程の解明

当該年度では当初予定していた通り、高強度レーザーで駆動される非平衡輻射プラズマの形成過程を明らかにするため、既存のＰａｒｔｉｃｌｅ－Ｉｎ－Ｃｅｌｌ（ＰＩＣ）コードＰＩＣＬＳの拡張を行った。具体的には、２つの高エネルギー光子同士が衝突することで電子陽電子対生成が引き起こされる線形Ｂｒｅｉｔ－Ｗｈｅｅｌｅｒ（ＢＷ）過程の数値アルゴリズムをコード内に組み込んだ。線形ＢＷ過程は多量の高エネルギー光子を伴う非平衡輻射プラズマの構造形成の理解には重要な現象であり、実験的な検証が続けられている。本研究は米国カリフォルニア大学サンディエゴ校のＡｒｅｆｉｅｖ准教授の研究グループとの共同研究として展開され、先方の先行研究の結果と照らし合わせながら、ＰＩＣコードを構築した。これによりガンマ線の消滅から陽電子の生成・加速までを自己無撞着にシミュレーションすることが可能となった。拡張したＰＩＣコードを用いて、線形ＢＷ過程の実験検証を念頭に置いた高強度レーザープラズマ相互作用のシミュレーションを行った。ターゲットとして臨界密度程度のカーボンプラズマを想定し、フェムト秒ペタワットレーザー光を照射した。レーザー光が伝搬する際に電子流が駆動されることでプラズマ中に磁場チャネルが自己生成される。この磁場に加速された電子がレーザー進行方向にガンマ線を輻射する。一方でレーザーフロントではレーザー光子圧によって電子とイオンの電荷分離が形成され、準静的縦電場が発生する。この電場によって、電子がレーザー進行方向とは逆向きに加速されその後レーザー光に反跳される。この時、レーザー進行方向とは逆向きに硬Ｘ線が放出される。上記のガンマ線と硬Ｘ線が衝突することで線形ＢＷ過程により陽電子が発生する。陽電子は準静的縦電場から定常的な加速を受けてＧｅＶのエネルギーにまで到達し、発散角が１０度程度の高い指向性を持つことが示された。

当該年度では当初予定していた通り、高強度レーザーで駆動される非平衡輻射プラズマの形成過程を明らかにするため、既存のＰａｒｔｉｃｌｅ－Ｉｎ－Ｃｅｌｌ（ＰＩＣ）コードＰＩＣＬＳの拡張を行った。具体的には、２つの高エネルギー光子同士が衝突することで電子陽電子対生成が引き起こされる線形Ｂｒｅｉｔ－Ｗｈｅｅｌｅｒ（ＢＷ）過程の数値アルゴリズムをコード内に組み込んだ。線形ＢＷ過程は多量の高エネルギー光子を伴う非平衡輻射プラズマの構造形成の理解には重要な現象であり、実験的な検証が続けられている。本研究は米国カリフォルニア大学サンディエゴ校のＡｒｅｆｉｅｖ准教授の研究グループとの共同研究として展開され、先方の先行研究の結果と照らし合わせながら、ＰＩＣコードを構築した。これによりガンマ線の消滅から陽電子の生成・加速までを自己無撞着にシミュレーションすることが可能となった。拡張したＰＩＣコードを用いて、線形ＢＷ過程の実験検証を念頭に置いた高強度レーザープラズマ相互作用のシミュレーションを行った。ターゲットとして臨界密度程度のカーボンプラズマを想定し、フェムト秒ペタワットレーザー光を照射した。レーザー光が伝搬する際に電子流が駆動されることでプラズマ中に磁場チャネルが自己生成される。この磁場に加速された電子がレーザー進行方向にガンマ線を輻射する。一方でレーザーフロントではレーザー光子圧によって電子とイオンの電荷分離が形成され、準静的縦電場が発生する。この電場によって、電子がレーザー進行方向とは逆向きに加速されその後レーザー光に反跳される。この時、レーザー進行方向とは逆向きに硬Ｘ線が放出される。上記のガンマ線と硬Ｘ線が衝突することで線形ＢＷ過程により陽電子が発生する。陽電子は準静的縦電場から定常的な加速を受けてＧｅＶのエネルギーにまで到達し、発散角が１０度程度の高い指向性を持つことが示された。