研究課題
国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
We have been investigating collisionless shocks and relevant particle acceleration in laboratories. It is highly challenging to simultaneously observe the macroscopic shock dynamics and the microscopic physics such as various kinds of instabilities in the universe. We further develop and deepen laboratory astrophysics focusing on the microphysics in the intrinsic shock dynamics covering from non-relativistic to relativistic and quantum regimes with the versatile 100 TW laser facility at National Central University in Taiwan.
宇宙空間に広く存在する高エネルギー粒子、宇宙線は、希薄なプラズマ中の衝撃波を介して加速・生成されると考えられており、様々な分野で異なった手法で研究されている。例えば、天文学では、遠方の天体を撮像することで衝撃波の構造を捉えるが、プラズマのミクロなスケールの情報が得られないという問題があった。この様な宇宙の現象を実験室で模擬するのが実験室宇宙物理であり、本研究では、台湾国立中央大学の多数ビーム高繰り返しの高強度レーザーであるNCU 100TWレーザーを用いて非相対論から相対論および量子力学的効果が本質的な領域まで対象を広げ、衝撃波のダイナミクスと粒子加速を研究する。2023年度は、コロナ中に開発した固体飛跡と機械学習を用いたイオン計測器を台湾での実験に提供した。その機械学習を用いたイオン計測の自動化と高精度化について計測器の国際専門誌に結果を発表した。また2022年度に国内のレーザーを用いて実施した実験で得られたトムソン散乱と誘導コンプトン散乱の多方向からのイメージングと空間分解分光計測データの解析と粒子コードを用いた結果の検証を行った。量子効果が入っていない粒子コードでは実験結果が再現できず、誘導コンプトン散乱の原理実証を後押しする結果が得られた。イオンラジオグラフ計測を用いた衝撃波の電磁場計測ため、輻射流体シミュレーションと高解像度流体シミュレーションを行った。また、阪大レーザー研の非相対論パルスと相対論パルスを同時に用いた統合実験を引き続き行なった。イオン検出器を高効率化・高精度化するため、畳み込みニューラルネットワークを用いた解析手法を確立し、国際誌に発表した。イオンラジオグラフによる電磁場の再構築について、引き続き台湾側の共同研究者と連携して開発中である。また、ニューラルネットワークを用いたイオン加速の最適化について粒子コードを用いて検証し、専門誌に発表した。
2: おおむね順調に進展している
2023年度はコロナの影響もなくなり、コロナ中に行った国内のレーザーを使った国際共同研究と要素技術についてオンサイトでの議論と論文化を行った。国際ワークショップを2回開催し、議論した結果を3遍の国際論文にまとめ発表した。2023年11月には、台湾側の予算で台湾嘉義市で開催されたFirst annual meeting of CHiPに招かれ、本研究の成果発表を行った。また、同時に国立中央大学の共同研究者との成果の共有と今後の実験計画を議論し、日本側で開発したイオン計測手法について情報共有し100 TWレーザー実験に導入した。2023年度の成果は、上述の論文と国際会議発表に加え、複数の国際会で、理論・シミュレーションやAIを使った実験デザインとデータ処理、さらに国内のレーザーを用いた要素実験について、若手が発表し、論文を投稿中である。高強度レーザーを用いた誘導コンプトン散乱の原理実証実験と数値シミュレーションを用いた実験の検証については、2024年度の国際会議で発表し専門誌に投稿予定である。二流体プラズマ系を独立なイオンビームでラジオグラフする実験を引き続き行い、衝撃波や不安定性に起因すると考えられる波動状のイメージの計測に成功している。本結果も国際会議で発表しており、2024年度中に論文化する予定である。
コロナ禍も終わり自由に台湾に渡航できるようになっており、2024年度も、台湾国立中央大学の多数ビーム高繰り返し高強度レーザーを用いた実験行う予定である。これまで国内の高繰り返し高強度レーザーを用いたイオン加速と計測器開発を行い、そのための理論・シミュレーションによる実験条件の最適化等を行ってきた。その結果を論文にまとめ発表してきた。大型装置ではできない柔軟な実験を台湾のレーザーを用いて実験していく予定である。またAIを用いたイオン計測器の高速化と高精度化については、共同研究者が国立成功大学にスタッフとして移動したことから、成功大学でも新たに共同研究が広がりつつある。AIの専門家を共同研究者に迎え、これまでにプラズマ中の2次元ベクトル電場と磁場の分離が可能になっている。今後はこの手法を3次元に拡張し、レーザー実験で得られたイオン飛跡の情報を用いて航跡場の再構築を行う。
すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他
すべて 国際共同研究 (9件) 雑誌論文 (26件) (うち国際共著 18件、 査読あり 26件、 オープンアクセス 14件) 学会発表 (142件) (うち国際学会 59件、 招待講演 14件)
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