2022 Fiscal Year Annual Research Report
Study of mesoscale high energy density plasmas driven by petawatt laser light
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20H00140
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
千徳 靖彦 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (10322653)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
城崎 知至 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10397680)
藤岡 慎介 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40372635)
西内 満美子 (高井満美子) 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員 (70391315)
岩田 夏弥 大阪大学, 高等共創研究院, 准教授 (70814086)
佐野 孝好 大阪大学, レーザー科学研究所, 助教 (80362606)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 高エネルギー密度科学 / 高強度レーザー / メゾスケール物理 / プラズマ粒子シミュレーション / レーザーイオン加速 / 実験室宇宙物理学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ペタワットレーザーは、物質をピコ秒という時間スケールで、太陽コア付近と同等な状態まで加熱できる可能性を持つ光である。ペタワットレーザーの加熱は、強い非線形性を持つ吸収過程と、急峻な圧力勾配を伴う高密度プラズマ中でのエネルギー輸送過程の両者が複雑に絡み合う現象であり、運動論的領域と流体的領 域の間のメゾスケール現象と捉えることができる。本研究は、パルス幅ピコ秒のkJ級レーザー(LFEX)とパルス幅フェムト秒の超高強度レーザー(J-Karen-P)の二つの異なる特性を持つペタワットレーザーを使ってメゾスケールの非平衡高エネルギー密度プラズマ物理学を開拓する。本年度はピコ秒レーザーLFEXの加熱計測に必要なモノクロX線計測カメラを導入し加熱実験を行った。また、J-Karen-Pレーザーの実験では加熱した固体ターゲットから輻射されるX線を計測するための計測装置を導入し実験を実施した。理論・シミュレーション研究では、強磁場下における円偏光波ホイッスラー波によるプラズマの超高速加熱過程の解明及び、LFEXのような大スポットを持つ相対論的高強度レーザーによる薄膜ターゲットの加熱過程を解明し論文として発表した。また、加熱中の電子分布構造の時間発展に関する理論を構築した。多次元プラズマ粒子シミュレーションのデータ解明を進めた。大スポットの相対論的レー ザープラズマ相互作用の研究は、米国リバモア国立研究所の理論・実験グループとの共同研究として行い、世界最大エネルギーを持つレーザーシステムを使った実験提案を行い、実験が採択されている。来年度は実験データの解析を進める予定である。今年度の成果は、宇宙における高温プラズマ形成の謎や高エネルギー粒子加速機構の解明、また、効率的レーザーイオン加速の実現に貢献するものである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度前半は、コロナ禍で国内での移動や海外への渡航は制限されていた。しかし、Zoomなどオンライン会議を使い、共同研究者との議論を進めることで、その影響を最小限に抑えることができた。また、9月以降はオンサイト会議が開催され、米国物理学会に参加し研究成果を発表するなど、共同研究成果を続々と論文として発表するとともに、世界最大のレーザー施設での実験提案が採択されるなど、予想を上回る成果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ペタワットレーザーが作り出すメゾスケールレーザープラズマに関する研究を、米国・仏国・ドイツの共同研究者と展開する。特に、米国リバモア国立研究所は世界最大のレーザー施設を有し、そのレーザーを使った実験提案が採択され2023年7月に実験予定である。最先端のレーザーを使った実験データによって、これまで構築した理論モデルやシミュレーション結果の検証を行う。レーザー科学研究所やQST光科学研究所においても、ペタワットレーザーによる高密度プラズマ加熱の実験を行い、データの取得を行い、論文としてまとめる。さらに、実験・シミュレーションのデータに対してベイズ推定などによる多変量解析を行い、実験条件に対して、加速粒子のエネルギー依存性や加熱温度などの予測精度を向上する。求めた依存式を実験で検証し高精度化すると共に、最適な実験条件を提示し、実験を行う。理論・シミュレーション研究では、輻射輸送のモデルを拡張し、ガンマ線の吸収過程として陽電子・電子対生成過程などのQED過程を開発したが、東欧ELI施設などでの実験提案をフランスボルドー大学、米国カリフォルニア大学サンディエゴ校と共同で提案し、モデルの実験検証を行う予定である。
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