相対論的放射場の超高速計測

• 研究課題/領域番号: 23K13080
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分14010:プラズマ科学関連
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 太田 雅人 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (30856513)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2023年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 特殊相対性理論 / 電磁気学 / 電子ビーム / 加速器 / 電気光学検出 / 放射場 / 相対論的電磁気 / 量子ビーム / 超高速計測

研究開始時の研究の概要

放射光は、現代科学に必要不可欠な存在である。放射光施設用の加速器が世界中で建設され、分野横断的な研究が展開されている。一般に、高エネルギーな相対論的電子ビームが加速度運動を行う際に生成される放射光が利用される。放射光の理論は完成され、応用が盛んだが、その生成過程（放射光が電子ビームから分離する様）を観測した実験結果は得られていない。本研究では、線形電子加速器によって生成された相対論的電子ビームの軌道上に、磁石や屈折率体を設置し、ビームを加速度運動させる。この時生じる放射光（シンクロトロン放射＆チェレンコフ放射）の生成過程を、電気光学検出を用いて超高速計測し、その生成機構を直接実証する。

研究実績の概要

放射光は、現代物理における必要不可欠な道具としての立ち位置を確立している。放射光施設用の加速器が世界中で建設され、理学・産学・医学（生命科学、物質科学、化学、地球科学、環境科学等）に跨って放射光が利用されている。さらに、宇宙物理においては、天体現象の情報を引き出すための重要な計測対象となっている。放射光の代表は、磁場によって荷電粒子が軌道を曲げた際に生じるシンクロトロン放射である。他にも、有名な放射光として、高エネルギー荷電粒子が水中などの真空より大きい屈折率体中を伝搬する際に生じるチェレンコフ放射がある。両者とも、上述した加速器物理、宇宙物理において、応用が盛んである。
上述の応用例中では、この放射光は、基本的に、荷電粒子から離れた遠方において時間積算で計測が行われている。しかし、近接場における放射光の時空間分布計測は今まで行われていない。なぜなら、相対論的電場は超高速な荷電粒子近傍に付随、または生成されるため、近接場計測にはそれに追従するだけの超高速計測が必要となるからである。我々は、現在、電気光学検出とエシェロン式シングルショット計測を用いることで、世界に先駆けて、高エネルギー電子ビームの周りに形成される相対論的クーロン電場の時空間分布のシングルショット超高速計測に成功している（M. Ota et al., Nat. Phys. 18, 1436-1440 (2022)）。そこで、先行研究で行った荷電粒子が静止・等速直線運動を行う際に生成されるクーロン電場における相対論的効果の検証に引き続き、新たに、荷電粒子が加速度運動を行う際に生成される放射場における相対論的な効果の検証を行う。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

我々が開発を行った、電気光学検出とエシェロン式シングルショット計測を組み合わせた相対論的クーロン場の計測系は、相対論的放射場の計測にそのまま転用可能である。電気光学検出では、非線形光学効果を介して、“電気”的な情報を“光学”的な情報に変換することで、サブピコ秒の時間分解能を有する電場の超高速計測を行う。したがって、非線形光学結晶に線形加速器で生成された高エネルギーな電子ビームを入射して、結晶内に電子ビームの周りの電磁場を印加し、結晶内に生じた屈折率変化（非線形光学効果）を計測光の偏光変化として読み取る。本実験では、この、先に行われた相対論的クーロン場の計測実験で用いられた実験系において、特に、非線形光学結晶の前に磁石や屈折率体を設置することで、シンクロトロン放射やチェレンコフ放射の時空間分布計測を実施することができる。我々は既に、この放射場における相対論的な効果の検証実験に着手しており、今まで理論・数値計算でのみ取り扱われてきた、相対論的放射場の兆候を、実験的に捉えつつある。

今後の研究の推進方策

上述の通り、我々は電気光学検出とエシェロン式シングルショット計測を組み合わせた相対論的放射場の計測を新たに実施しているが、その過程で判明したことは、元々高エネルギー電子ビームの周りに生成される相対論的クーロン場と、加速度運動を行うことで新しく生成される相対論的放射場を分離して計測する必要があるということだ。なぜならば、クーロン場は電子ビームがある程度の距離を等速直運動する際に積算され、増強された電磁ポテンシャルによって生成されるが、放射場（シンクロトロン放射、チェレンコフ放射）の場合は短距離の運動（磁石による加速度運動、屈折率体の通過等）によって生成されるため、前者よりも後者の方は計測される電場強度が弱い傾向にある。加速度運動の有無という二つの実験結果を比較することで、解析的にクーロン場を減算することはある程度は可能であるが、原理実証実験では、シンプルな実験系で実験的に信号のSignal/Noize比を向上させる必要がある。そこで、本年度は、クーロン場と放射場を分離して計測する系の開発に注力する。

研究成果

• [雑誌論文] Femtosecond vector vortex laser ablation in tungsten: chiral nano-micro texturing and structuring (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi Haruki、Yasuhara Ryo、Yang Haotian、Hori Chika、Miyagawa Reina、Sugioka Koji、Ota Masato、Uehara Hiyori
  • 雑誌名: Optical Materials Express 巻: 14 号: 2 ページ: 424-424
  • DOI: 10.1364/ome.510141
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct imaging of shock wave splitting in diamond at Mbar pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: S.Makarov,S.Dyachkov,T.Pikuz,K. Katagiri ,H. Nakamura,V.Zhakhovsky,N.Inogamov,V.Khokhlov,A.Martynenko,B.Albertazzi,G.Rigon,P.Mabey,N.J.Hartley,Y.Inubushi,K.Miyanishi,K.Sueda,T.Togashi,M.Yabashi,T.Yabuuchi,T.Okuchi,R.Kodama,S.Pikuz,M.Koenig,N. Ozaki
  • 雑誌名: Matter and Radiation at Extremes 巻: 8 号: 6666 ページ: 066601-066601
  • DOI: 10.1126/science.adh5563
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Role of Collision Ionization of K-Shell Ions in Nonequilibrium Plasmas Produced by the Action of Super Strong, Ultrashort PW-Class Laser Pulses on Micron-Scale Argon Clusters with Intensity up to 5 × 1021 W/cm2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Igor Skobelev et al
  • 雑誌名: Photonics 巻: 10(11) ページ: 1250-1250
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Single-shot spatio-temporal measurement of relativistic electron beams by electro-optic sampling (2024)
  • 著者名/発表者名: Masato Ota
  • 学会等名: SPIEPhotonicsWest2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualization of relativistic Coulomb fields by electro-optic sampling (2024)
  • 著者名/発表者名: Masato Ota
  • 学会等名: MECMATPLA2024 Matter in Extreme Conditions for Magnetized PLAsmas
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 電気光学検出を用いた相対論的収縮クーロン電場の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 太田雅人
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] Observing the birth of relativistic Coulomb fields (2023)
  • 著者名/発表者名: Masato Ota
  • 学会等名: AAPPSDPP2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 電気光学検出を用いた相対論的収縮クーロン電場の超高速可視化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 太田雅人
  • 学会等名: JCHSIP2023 Japan Congress on High Speed Imaging and Photonics
  • 招待講演