研究内容

非平衡輻射プラズマ物理 (担当 千徳、岩田)

超高強度レーザーと物質の相互作用とX線輻射物理

レーザー研には世界最大規模のレーザーシステムがあります。実験室で超高強度レーザーを物質照射すると、ピコ秒(1兆分の1秒)とい短い時間スケールで、10keV(1億度)の超高温状態になり、高エネルギー粒子と大量のX線を発生して、一瞬で飛散します。その時起こっている現象を理解するために、粒子シミュレーションによって実験をコンピュータ上で模擬して、レーザー吸収過程、粒子発生、X線輻射などを含めた高温プラズマのダイナミックスを研究します。

レーザーがアルミターゲットに照射されて反射される様子(等高線)、また反射時にレーザーにより加速された高エネルギー電子がターゲットの内部に光の速さで侵入する様子(カラー塗り等高線)。

X線レーザー(XFEL)と物質の相互作用

一般にレーザーというと可視光域の光だが、近年、XFEL(X線自由電子レーザー)という新たな光源が開発されました。光子のエネルギーはレーザーの1万倍から10万倍高エネルギーのX線です。このX線レーザーを物質に照射すると、光子による光電離過程がトリガーとなって、様々な原子過程が引き起こされ、物質はプラズマ化していきます。私たちは高強度X線レーザーによる物質加熱の物理過程の数値モデルを構築して、X線の吸収過程を理解しようとしています。

超高強度レーザー生成非平衡プラズマの理論研究

高強度レーザーは、数100ジュールのエネルギーをミクロンスケールの空間に集光し、ピコ秒スケールの時間に圧縮することで、ギガバール(約10億気圧)という高いエネルギー密度を持つ光を生み出します。この光が持つ圧力は、地上で実現できる最強の圧力で、星の内部圧力に匹敵します。短時間の間に超高圧力を生み出すことのできる高強度レーザーは、プラズマ中に強い非平衡状態を駆動することによって、プラズマと電磁場のダイナミックな構造形成過程を研究することを可能にします。

このようなレーザープラズマ中では、粒子と電磁場、輻射の複雑な非線形相互作用を通して、高密度プラズマ加熱や相対論的粒子加速が実現します。これらの現象は、宇宙における無衝突衝撃波形成や高エネルギー粒子加速と強い関連性を持っています。また、レーザーを用いた核融合や粒子加速などの応用研究にも直結します。自然界や実験装置の中で非平衡プラズマが見せる多様な現象の理解を目指し、粒子シミュレーションを用いながら、レーザープラズマ相互作用の基礎物理を理論的に記述する研究を行なっています。

(a) レーザー光が高圧力でプラズマを押し進む過程における、無衝突衝撃波形成と高密度領域への光の異常侵入(ホールボーリング)。イオンの位相図(左)と、プラズマ表面での圧力つりあいの式(右)。(b) 高強度レーザーに照射された固体プラズマ中で、電子が相対論的エネルギーに加熱される様子。上から、薄膜プラズマの膨張、薄膜周りを周回する電子の位相図、および電子の位相空間軌道。

天体プラズマ物理・極限プラズマ物理 (担当 佐野)

磁気流体不安定とプラズマ乱流の大規模シミュレーションとレーザー実験

「磁場」と「乱流混合」が様々なプラズマ現象でホットなキーワードとなっています。密度界面で発生するリヒトマイヤー・メシュコフ不安定に着目して、宇宙プラズマや実験室プラズマで見られる界面不安定駆動の「磁気乱流」の特性を解析しています。観測される星間磁場との比較を通して「乱流と磁場」の相互作用を明らかして、「磁化プラズマ中の乱流混合」を制御できるまでに理解を深めることで、慣性核融合プラズマへの応用も視野に入れて研究を進めています。研究手法としては、磁気流体(MHD)シミュレーションだけでなく、レーザープラズマを用いた実験的検証(レーザー宇宙物理)も平行して行っています。

(左、中) 磁化プラズマ中でリヒトマイヤー・メシュコフ不安定が成長する様子(密度と磁力線)の磁気流体シミュレーションの結果。(右) 激光レーザーを用いたリヒトマイヤー・メシュコフ不安定実験の様子。

極限的な強磁場中でのレーザープラズマ相互作用

近年、レーザー実験においてキロテスラ級の強磁場(ネオジム磁石の1000倍以上)を発生させることが可能となりました。通常、レーザー光は固体密度を越えるような高密度プラズマには侵入できません。しかし、このような極限的な磁場が存在すると、強力なレーザー光が高密度プラズマの中を伝播することも可能となります。そこで起こりうる全く新しいプラズマの加熱過程や荷電粒子の加速現象を理解するため、プラズマ粒子(PIC)シミュレーションを用いた解析を行っています。