磁気圏プラズマの自己組織化―磁場によって歪むメトリックの非線形効果

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23224014
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉田 善章 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (80182765)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西浦 正樹 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (60360616) ; 川面 洋平 東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (80725375) ; 高瀬 雄一 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (70292828) ; 小川 雄一 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (90144170)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 渦 / 非正準ハミルトン力学 / 磁気圏型プラズマ / 逆拡散 / 自己組織化 / イオンサイクロトロン加熱 / 先進的核融合 / 階層構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，自発的に形成される天体磁気圏プラズマの自己組織化メカニズムと内部構造を明らかにすることを目的とした実験・理論の総合的なプロジェクトである，エネルギーによって形成される局所構造（星に代表される重力閉じ込め）と対極にあるもう一つの典型的な構造として「渦」を位置づけ，それを「時空の特異性によって形成される構造」として特徴付ける研究を行った． プラズマ内部で自発的に起こる粒子加速現象，回転流の生成，外部からの加熱によって起こる温度や回転流の変化を実験的に分析した．理論研究では，スカラー量に積分できないトポロジー束縛を，位相空間を拡張して積分する方法を開発して，これまでのカシミール元に関する理論を大きく拡張することができた．研究プロジェクトの最終年度にあたり，これまでの主要な成果を以下のように総括した．１、非正準Hamilton力学系の位相空間はCasimir不変量によって葉層化されており，その葉の上に多様な構造が分岐する．Casimir不変量は，トポロジー束縛をスカラー量によって表現する運動の第1積分であり，これを変分原理に組み込んで，構造の分岐を表現できる．２、Casimir不変量は断熱不変量として解釈できる．すると，トポロジー束縛された系のBoltzmann分布はグランド・カノニカル平衡となり，構造分岐を熱力学的に特徴付けることができる．その熱力学特性は実験的に検証された．３、プラズマや流体は無限次元力学系であり，そのPoisson構造は極めて複雑な特異点構造をもつ，Casimir不変量として積分できないトポロジー束縛として，局所的な循環などがある．これらは，phantomを導入して位相空間を拡張することでカシミール不変量（クロスヘリシティー）として積分できることを示した．４、磁気圏プラズマの回転流は，クロスヘリシティーによる自己組織化構造として特徴づけられる．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Quantum spirals (2016)
  • Author(s): Z. Yoshida and S. M. Mahajan
  • Journal Title: J. Phys. A: Math. Theor. Volume: 49 Pages: 055501 1-12
  • DOI: 10.1088/1751-8113/49/5/055501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hierarchical structure of noncanonical Hamiltonian systems (2016)
  • Author(s): Z. Yoshida and P. J. Morrison
  • Journal Title: Phys. Scr. Volume: 92 Pages: 024001 1-7
  • DOI: 10.1088/0031-8949/91/2/024001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nonlinear Alfven waves in extended magnetohydrodynamics (2016)
  • Author(s): H. M. Abdelhamid and Z. Yoshida
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 23 Pages: 022105 1-5
  • DOI: 10.1063/1.4941596
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self-Organization and Heating by Inward Diffusion in Magnetospheric Plasmas (2016)
  • Author(s): N. Sato, Z. Yoshida, and Y. Kawazura
  • Journal Title: Plasma Fusion Res. Volume: 11 Pages: 2401009 1-6
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2401009
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nonlinear ion acoustic waves scattered by vortexes (2016)
  • Author(s): Y. Ohno and Z. Yoshida
  • Journal Title: Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. Volume: 38 Pages: 277-287
  • DOI: 10.1016/j.cnsns.2016.02.018
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Anisotropy in broad component of Hα line in the magnetospheric device RT-1 (2016)
  • Author(s): Y. Kawazura, N. Takahashi, Z. Yoshida, M. Nishiura, T. Nogami, A. Kashyap, Y. Yano, H. Saitoh, M. Yamasaki, T. Mushiake, and M. Nakatsuka
  • Journal Title: Plasma Fusion Res. Volume: 11 Pages: 2402024 1-5
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2402024
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self-organization by topological constraints: hierarchy of foliated phase space (2016)
  • Author(s): Z. Yoshida
  • Journal Title: Adv. Phys.: X Volume: 1 Pages: 2-19
  • DOI: 10.1080/23746149.2015.1127773
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Increased Ion Temperature by Slow Wave Heating in magnetosphere plasma device RT-1 (2016)
  • Author(s): M. Nishiura, Z. Yoshida, Y. Yano, Y. Kawazura, T. Mushiake, H. Saitoh, M. Yamasaki, A. Kashyap, N. Takahashi, M. Nakatsuka, Y. Takase, and A. Fukuyama
  • Journal Title: Plasma Fusion Res. Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thermal equilibrium of non-neutral plasma in dipole magnetic field (2015)
  • Author(s): N. Sato, N. Kasaoka, and Z. Yoshida
  • Journal Title: Phys. Plasmas 22 Volume: 22 Pages: 042508 1-9
  • DOI: 10.1063/1.4917474
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Improved beta (local beta > 1) and density in electron cyclotron resonance heating on the RT-1 magnetosphere plasma (2015)
  • Author(s): M. Nishiura, Z. Yoshida, H. Saitoh, Y. Yano, Y. Kawazura, T. Nogami, M. Yamasaki, T. Mushiake, and A. Kashyap
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 55 Pages: 053019 1-5
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/5/053019
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hamiltonian formalism of extended magnetohydrodynamics (2015)
  • Author(s): H. M. Abdelhamid, Y. Kawazura, and Z. Yoshida
  • Journal Title: J. Phys. A: Math. Theor. Volume: 48 Pages: 235502 1-19
  • DOI: 10.1088/1751-8113/48/49/495501
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Gauge symmetries and Noether charges in Clebsch-parameterized magnetohydrodynamics (2015)
  • Author(s): K. Tanehashi and Z. Yoshida
  • Journal Title: J. Phys. A: Math. Theor. Volume: 48 Pages: 495501 1-20
  • DOI: 10.1088/1751-8113/48/49/495501
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation of particle acceleration in laboratory magnetosphere (2015)
  • Author(s): Y. Kawazura, Z. Yoshida, M. Nishiura, H. Saitoh, Y. Yano, T. Nogami, N. Sato, M. Yamasaki, A. Kashyap, and T. Mushiake
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 22 Pages: 112503 1-8
  • DOI: 10.1063/1.4935894
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A. Bhattacharjee, and S. R. Hudson; Variational formulation of relaxed and multi-region relaxed magnetohydrodynamics (2015)
  • Author(s): R. L. Dewar, Z. Yoshida
  • Journal Title: J. Plasma Phys. Volume: 81 Pages: 515810604 1-22
  • DOI: 10.1017/S0022377815001336
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ion cyclotron heating experiments in magnetosphere plasma device RT-1 (2015)
  • Author(s): M. Nishiura, Z. Yoshida, Y. Yano, Y. Kawazura, H. Saitoh, M. Yamasaki, T. Mushiake, A. Kashyap, N. Takahashi, M. Nakatsuka, and A. Fukuyama
  • Journal Title: AIP Conf. Proc. Volume: 1689 Pages: 040002 1-4
  • DOI: 10.1063/1.4936485
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 磁気圏型プラズマにおけるトロイダルイオン流の分光計測及び理論的解析 (2016)
  • Author(s): 高橋典生, 吉田善章, 川面洋平, 西浦正樹, 矢野善久, 齋藤晴彦, 野上智晃, 山崎美由梨, 虫明敏生, Kashyap Ankur, 中塚正崇
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] 磁気圏プラズマ装置RT-1における光電界センサシステムを用いた高βプラズマ内部のRF電場計測 (2016)
  • Author(s): 虫明敏生, 西浦正樹, 吉田善章, 矢野喜久, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, Ankur Kasyhap, 高橋典生, 中塚正崇, 福山淳
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] 磁気圏プラズマ装置RT-1における波動加熱特性 (2016)
  • Author(s): 西浦正樹, 吉田善章, 虫明敏生, 矢野善久, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, Kashyap Ankur, 高橋典生, 中塚正崇, 高瀬雄一, 福山淳
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] 磁気圏型装置RT-1における反磁性信号の遷移現象 (2016)
  • Author(s): 川面洋平, 吉田善章, 西浦正樹, Kashyap Ankur, 矢野善久, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, 虫明敏生, 高橋典生, 中塚正崇
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-20
• [Presentation] Singular Casimir invariant and island structure in extended magnetohydrodynamics (2016)
  • Author(s): Hamdi M. Abdelhamid, Zensho Yoshida
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 三次元非ホロノミック力学系の拡張ハミルトン力学と不変測度 (2016)
  • Author(s): 佐藤直木, 吉田善章
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 渦によって散乱される非線形イオン音波における状態遷移について (2016)
  • Author(s): 大野裕司, 吉田善章
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 磁気圏型プラズマ装置RT-1におけるslow wave加熱 (2015)
  • Author(s): 西浦正樹, 吉田善章, 矢野善久, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, 虫明敏生, Kashyap Ankur, 高橋典生, 中塚正崇, 福山淳
  • Organizer: プラズマ核融合学会第32回年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-11-26
• [Presentation] RT-1におけるポッケルス素子を用いた高βプラズマ中のRF電場計測 (2015)
  • Author(s): 虫明敏生, 西浦正樹, 吉田善章, 矢野善久, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, Kashyap Ankur, 高橋典生, 中塚正崇, 福山淳
  • Organizer: プラズマ核融合学会第32回年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-11-26
• [Presentation] 天体磁気圏を模擬したRT-1プラズマの電子密度計測と電子密度分布再構成 (2015)
  • Author(s): 中塚正崇, 西浦正樹, 吉田善章, 矢野善久, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, 虫明敏生, Kashyap Ankur, 高橋典生
  • Organizer: プラズマ核融合学会第32回年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-11-25
• [Presentation] Wave Heating in Ion Cyclotron Ranges of Frequencies in RT-1 (2015)
  • Author(s): M. Nishiura, Z. Yoshida, Y. Yano, Y. Kawazura, T. Mushiake, H. Saitoh, M. Yamasaki, A. Kashyap, N. Takahashi, M. Nakatsuka, A. Fukuyama
  • Organizer: 57th Annual Meeting of the APS, Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: Savannah, Georgia, USA
  • Year and Date: 2015-11-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of RF electric field in high-β plasma using a Pockels detector in magnetosphere plasma confinement device RT-1 (2015)
  • Author(s): T. Mushiake, M. Nishiura, Z. Yoshida, Y. Yano, Y. Kawazura, H. Saitoh, M. Yamasaki, A. Kashyap, N. Takahashi, M. Nakatsuka, A. Fukuyama
  • Organizer: 57th Annual Meeting of the APS, Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: Savannah, Georgia, USA
  • Year and Date: 2015-11-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chaos of nonlinear ion acoustic waves with vorticity (2015)
  • Author(s): Y. Ohno and Z. Yoshida
  • Organizer: 25th International Toki Conference (ITC-25)
  • Place of Presentation: Ceratopia Toki（岐阜県土岐市）
  • Year and Date: 2015-11-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evidence of increased ion temperature by slow wave heating in RT-1 (2015)
  • Author(s): M. Nishiura, Z. Yoshida, Y. Yano, Y. Kawazura, T. Mushiake, H. Saitoh, M. Yamasaki, A. Kashyap, N. Takahashi, M. Nakatsuka, and A. Fukuyama
  • Organizer: 25th International Toki Conference (ITC-25)
  • Place of Presentation: Ceratopia Toki（岐阜県土岐市）
  • Year and Date: 2015-11-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisotropy in tail component of Hα in RT-1 (2015)
  • Author(s): Y. Kawazura, Z. Yoshida, M. Nishiura, Y. Yano, H. Saitoh, T. Nogami, T. Mushiake, M. Yamasaki, A. Kashyap, N. Takahashi, and M. Nakatsuka
  • Organizer: 25th International Toki Conference (ITC-;25)
  • Place of Presentation: Ceratopia Toki（岐阜県土岐市）
  • Year and Date: 2015-11-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Self-Organization and Heating by Inward Diffusion in Magnetospheric Plasmas (2015)
  • Author(s): N. Sato, Z. Yoshida, and Y. Kawazura
  • Organizer: 25th International Toki Conference (ITC-25)
  • Place of Presentation: Ceratopia Toki（岐阜県土岐市）
  • Year and Date: 2015-11-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 渦をもつ非線形イオン音波の可積分性に関する数値的検証 (2015)
  • Author(s): 大野裕司, 吉田善章
  • Organizer: 日本流体力学会年会2015
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2015-09-27
• [Presentation] スピン流体の渦構造：量子スパイラル (2015)
  • Author(s): 吉田善章, Swadesh Mahajan
  • Organizer: 日本流体力学会年会2015
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2015-09-27
• [Presentation] 磁気圏プラズマ装置RT-1における超高ベータプラズマ平衡解析 (2015)
  • Author(s): 野善久, 吉田善章, 西浦正樹, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, 虫明敏生, Kashyap Ankur, 高橋典生, 中塚正崇
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] Temperature and density profile of the cold electron component in RT-1 plasmas (2015)
  • Author(s): Ankur Kashyap, Zensho Yoshida, Masaki Nishiura, Yohei Kawazura, Yoshihisa Yano, Miyuri Yamasaki, Toshiki Mushiake, Izumi Murakami
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] 磁気圏型プラズマ装置RT-1におけるRFイオン加熱とイオンプローブ計測 (2015)
  • Author(s): 西浦正樹, 吉田善章, 矢野善久, 川面洋平, 齋藤晴彦, 山崎美由梨, 虫明敏生, Kashyap Ankur, 高橋典生, 中塚正崇, 福山淳
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 非線形イオン音波における渦と非可積分性 (2015)
  • Author(s): 大野裕司, 吉田善章
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] クレブシュ表現された理想流体の正準ハミルトン形式に対しゲージ原理を課す試み (2015)
  • Author(s): 種橋航, 吉田善章
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 量子スパイラル：傾圧スピノル場の渦構造 (2015)
  • Author(s): 吉田善章
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 磁気圏型プラズマ装置RT-1におけるイオン温度非等方性の生成機構 (2015)
  • Author(s): 川面洋平, 吉田善章, 西浦正樹, 矢野善久, 山崎美由梨, 虫明敏生, Kashyap Ankur, 高橋典生, 中塚正崇, 佐藤直木
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 磁気圏プラズマの自己組織化における拡散とエントロピー (2015)
  • Author(s): 佐藤直木, 吉田善章, 川面洋平
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] Exact nonlinear wave solutions of extended magnetohydrodynamics (2015)
  • Author(s): Hamdi M Abdelhamid and Zensho Yoshida
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] Ion cyclotron heating experiments in magnetosphere plasma RT-1 (2015)
  • Author(s): M. Nishiura, Z. Yoshida, H. Saitoh, Y. Yano, Y. Kawazura, T. Nogami, M. Yamasaki, T. Mushiake, A. Kashyap
  • Organizer: 21st Topical Conference on Radiofrequency Power in Plasmas
  • Place of Presentation: Los Angels, USA
  • Year and Date: 2015-04-26 – 2015-04-29
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] プラズマ理工学講座 吉田・西浦研究室
  • URL: http://www.ppl.k.u-tokyo.ac.jp/index.html