超高強度レーザーを用いたブラックホール蒸発模擬実験

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K21865
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 蔵満 康浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70456929)
• 研究分担者: 福田 祐仁 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(定常) (30311327) ; 神門 正城 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, グループリーダー(定常) (50343942)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• キーワード: 高強度レーザー / 航跡場 / プラズマミラー / ブラックホール / ホーキング放射

研究実績の概要

ブラックホールから放射があれば、ブラックホールは最終的に蒸発して無くなってしまうと考えられている。しかし、これを宇宙で直接観測することは難しく、実証困難であった。超高強度レーザーにより励起される航跡場を、プラズマの密度勾配を用いて加速し、加速ミラーとしてブラックホールの地平線を模擬する実験が提案されている。本研究では、シミュレーションを用いた航跡場の加速条件の最適化と超高強度レーザーを用いた原理実証を目的とする。初年度は、Particle-in-Cell (PIC) シミュレーションを用いて、密度勾配とレーザー強度を主要なパラメータとし、ミラーの加速を数値的に調べた。航跡場の位相速度は、レーザーの群速度と等しく、プラズマ密度とレーザー強度の関数になっている。理論的には、プラズマの密度とレーザー強度により航跡場の位相速度が決定されるが、超高強度レーザーを用いる場合、レーザーのポンデラモーティブ力によりプラズマの状態が著しく変化する。プラズマの変化はレーザーにも反作用として働き、レーザーパルスそのものも時間空間的に変化する。レーザーの集光による強度の変化に加え、プラズマとの非線形相互作用である自己収縮など、様々な非線形効果によりレザー強度とプラズマ密度が変化する。非一様プラズマ中の超高強度レーザーによる航跡場の加速を、PICシミュレーションを用いて系統的に計算し、密度の上昇と下降を制御することで、航跡場の減速と加速されるパラメータ空間を決定した。得られた結果は、ハイパワーレーザーに関する最大の国際会議で発表され、論文を執筆中である。
初年度はこれに加え、航跡場の時空間発展を捉える計測器の開発を行った。QSTのJ-KARENレーザーを用いた実験で、レーザー光のプラズマによる散乱(非協同トムソン散乱)のイメージングを行なった。

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

シミュレーションと計測器開発はほぼ予定通りに進んでいる。J-KAREN実験は年度末から次年度にかけて行われる予定であったが、コロナウィルスの影響により延期となっている。また、今年度予定されていた台湾での実験準備と打ち合わせについても、コロナウィルスの影響で延期とした。

今後の研究の推進方策

今後は、まずPICシミュレーションの結果を論文にまとめ、プラズマ物理分野の専門誌に投稿する。これを２年目の早い段階で行い、これをもとに国立中央大学（NCU、台湾）の100 TWレーザーを用いた実験計画をまとめる。コロナウィルスの影響で、いつ渡航できるか不透明であるが、ウェブミーティングを通して、台湾サイドの関係者と連絡を続け、渡航制限が解除されれば素早く共同実験を開始できるよう準備する。計測器開発についても、外部の研究者のQST・J-KARENへのアクセス制限のため、いつ実験を再開できるか、また予定通り実験が実施されるか不透明である。これまで得られた実験結果をまとめ、可能な限りの情報を引き出し、計測器の改良を行う。アクセス制限が解除され実験可能になり次第、高強度レーザーとプラズマの相互作用を非協同トムソン散乱計測を通して捉える。

次年度使用額が生じた理由

今年度終盤で予定していた台湾での実験打ち合わせが、新型コロナウィルスの影響で不可能となった。分担者の福田、神門とも相談し、世界の状況が良くなってから台湾への渡航を考えることになった。状況が改善し次第、台湾の共同研究者と日程を調整する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] National Taiwan University/National Central University(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Taiwan University/National Central University
• [国際共同研究] University of York/Rutherford Appleton Laboratory(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of York/Rutherford Appleton Laboratory
• [雑誌論文] Toward experimental observations of induced Compton scattering by high-power laser facilities (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka, Ryo Yamazaki, Yasuhiro Kuramitsu, and Youichi Sakawa
  • 雑誌名: Prog. Theor. Exp. Phys. 巻: accepted ページ: 1-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local plasma parameter measurements in colliding laser-produced plasmas for studying magnetic reconnection (2020)
  • 著者名/発表者名: Morita T.、Tomita K.、Sakai K.、Takagi M.、Aihara K.、Edamoto M.、Egashira S.、Higuchi T.、Ishizaka N.、Izumi T.、Kakuchi S.、Kojima T.、Kuramitsu Y.、Matsukiyo S.、Nakagawa Y.、Minami T.、Murakami H.、Nishioka Y.、Ota M.、Sano T.、Sei S.、Sugiyama K.、Tanaka S.J.、Yamazaki R.、Sakawa Y.
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 36 ページ: 100754～100754
  • DOI: doi:10.1016/j.hedp.2020.100754
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collective Thomson scattering measurements of electron feature using stimulated Brillouin scattering in laser-produced plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: N Bolouki, K Sakai, TY Huang, S Isayama, YL Liu, CW Peng, CH Chen, N Khasanah, HH Chu, T Moritaka, Kentaro Tomita, Y Sato, Kiichiro Uchino, Taichi Morita, Shuichi Matsukiyo, Y Hara, H Shimogawara, Y Sakawa, S Sakata, S Kojima, S Fujioka, Y Shoji, S Tomiya, R Yamazaki, M Koenig, Y Kuramitsu
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 32 ページ: 82-88
  • DOI: doi:10.1016/j.hedp.2019.06.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nonthermal relativistic electron acceleration due to laser-induced incoherent wakefields with external static magnetic fields (2019)
  • 著者名/発表者名: Yao-Li Liu, Shogo Isayama, Shih-Hung Chen, Yasuhiro Kuramitsu
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 31 ページ: 64-69
  • DOI: doi:10.1016/j.hedp.2019.03.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Supersonic plasma turbulence in the laboratory (2019)
  • 著者名/発表者名: White T. G.、Oliver M. T.、Mabey P.、Kuhn-Kauffeldt M.、Bott A. F. A.、Duhl L. N. K.、Bell A. R.、Bingham R.、Clarke R.、Foster J.、Giacinti G.、Graham P.、Heathcote R.、Koenig M.、Kuramitsu Y. et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 1758-1-6
  • DOI: doi:10.1038/s41467-019-09498-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Laboratory study of stationary accretion shock relevant to astrophysical systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Mabey P.、Albertazzi B.、Falize E.、Michel Th.、Rigon G.、Van Box Som L.、Pelka A.、Brack F.-E.、Kroll F.、Filippov E.、Gregori G.、Kuramitsu Y.、Lamb D. Q.、Li C.、Ozaki N.、Pikuz S.、Sakawa Y.、Tzeferacos P.、Koenig M.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 8157-1-9
  • DOI: doi:10.1038/s41598-019-44596-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rayleigh-Taylor instability experiments on the LULI2000 laser in scaled conditions for young supernova remnants (2019)
  • 著者名/発表者名: Rigon G.、Casner A.、Albertazzi B.、Michel Th.、Mabey P.、Falize E.、Ballet J.、Van Box Som L.、Pikuz S.、Sakawa Y.、Sano T.、Faenov A.、Pikuz T.、Ozaki N.、Kuramitsu Y.、Valdivia M. P.、Tzeferacos P.、Lamb D.、Koenig M.
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 100 ページ: 021201-1-6
  • DOI: doi:10.1103/PhysRevE.100.021201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous plasma acceleration in colliding high-power laser-produced plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: Morita T.、Nagashima K.、Edamoto M.、Tomita K.、Sano T.、Itadani Y.、Kumar R.、Ota M.、Egashira S.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Tomita S.、Tomiya S.、Toda H.、Miyata I.、Kakuchi S.、Sei S.、Ishizaka N.、Matsukiyo S.、Kuramitsu Y.、Ohira Y.、Hoshino M.、Sakawa Y.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 ページ: 090702～090702
  • DOI: doi:10.1063/1.5100197
  • 査読あり
• [学会発表] LFEXの基本波-二倍高調波混合ビーム用いた電子発生 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有川安信, Hu Zhanggui, 畑昌育, 椿本孝治, 南上和也, Morace Alessio, 瀧澤龍之介, 嶽村真緒, 安部勇輝, 松尾一樹, 南卓海, 大熊 祐輝, 牧山 大暉, 延命 佑哉, 中尾 采美, 浅野 将唯, King Fai Farley Law, 森田大樹, 小島完興, 千德 靖彦, 蔵満康浩,他
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
• [学会発表] 磁場印加プラズマ中の電子ダイナミクスにより駆動される磁気リコネクション (2020)
  • 著者名/発表者名: 蔵満 康浩，境 健太郎，南 卓海，檜原 崇正，西本 貴博，高野 晟輝，他
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Large-Area Suspended Graphene as Target for Laser Ion Acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu-Tzu LIAO, Yasushiro KURAMITSU, et al.
  • 学会等名: "Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)"
  • 国際学会
• [学会発表] Laser driven ion acceleration with a large-area suspended graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro KURAMITSU
  • 学会等名: Mini-Workshop on Laser Acceleration of Ions and Neutron Production with Structured Targets
  • 国際学会
• [学会発表] Relativistic particle acceleration with radiation pressure in extremely intense light field (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro KURAMITSU
  • 学会等名: 4th International Conference on Matter and Radiation at Extremes (ICMRE 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microscopic plasma diagnostics using collective Thomson scattering in non-equilibrium laser produced plasmas relevant to magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai, N. Bolouki, S. Isayama, M. S. Habibi, Y. L. Liu, H. H. Chu, J. P. Wang, T. Morita, K. Tomita, S. Matsukiyo, R. Yamazaki, and Y. Kuramitsu
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Local observations of electron-scale magnetic reconnection in laser produced plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai, T. Minami, T. Hihara, T. Nishimoto, M. Takano, et al., and Y. Kuramitsu
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Ion Acceleration via the Interaction of an Intense Short Pulse Laser and a Large-Area Suspended Graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. L. Liu, S. Isayama, N. Khasanah, T. Hihara, T. Nishimoto, T. Y. Huang, T. H. Huang, Y. Y. Ouyang, M. S. Habibi, N. Bolouki, H. H. Chu, J. Wang, Y. Z. Hong, W. L. Chung, W. Y. Woon, C. Y. Su, S. H. Chen, Y. Fukuda, M. Koenig, J. M. Boudenne, and Y. Kuramitsu
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
• [学会発表] Nonthermal relativistic particle acceleration with turbulent wakefield (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: 第36回 プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Energetic Ion Acceleration by Irradiating a Large-Area Suspended Graphene with Intense Lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: "9th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas （EASW9）"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高強度レーザーを用いた磁気リコネクションの実験研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 蔵満 康浩
  • 学会等名: UJI Reconnection Workshop (URW) 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Electron outflows in laser driven magnetic reconnections (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: The 6th Workshop on Magnetic Field in Laboratory High Energy Density Physics (LaB2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大型レーザー激光XII号を用いた磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験(1)：実験デザインの決定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 角地真, 山崎了, 田中周太, 冨田沙羅, 河村有志郎, 正治圭崇, 冨谷聡志, 遠田裕史, 宮田親, 石坂夏槻, 瀬井柊人, 河村璃子, 杉山慧, 鈴木大介, 相原研人, 神林荘汰, 坂和洋一, 佐野孝好, Rajesh Kumar, 太田雅人, 江頭俊輔, 泉智大, 蔵満康浩, 他
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 大型レーザー激光XII号を用いた磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験(2)：輻射流体およびプラズマ粒子シミュレーションの結果との比較 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬井柊人, 山崎了, 田中周太, 冨田沙羅, 河村有志郎, 正治圭崇, 冨谷聡志, 遠田裕史, 宮田親, 石坂夏槻, 角地真, 河村璃子, 杉山慧, 鈴木大介, 相原研人, 神林荘汰, 坂和洋一, 佐野孝好, Rajesh Kumar, 太田雅人, 江頭俊輔, 泉智大, 蔵満康浩, 他
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 大型レーザー激光XII号を用いた磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験(3)：トムソン散乱計測の結果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石坂夏槻, 山崎了, 田中周太, 冨田沙羅, 河村有志郎, 正治圭崇, 冨谷聡志, 遠田裕史, 宮田親, 石坂夏槻, 角地真, 瀬井柊人, 河村璃子, 杉山慧, 鈴木大介, 相原研人, 神林荘汰, 坂和洋一, 佐野孝好, Rajesh Kumar, 太田雅人, 江頭俊輔, 泉智大, 蔵満康浩, 他
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Monoenergetic ion acceleration with a nanolayered ultrathin target using large-area suspended graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, K. Sakai, T. Hihara, T. Minami, Y. Fujita, Y. Enmei, H. Makiyama, K. Okida, Y. Okuma, H. Habara, Y. Arikawa, A. Yogo, Y. Sakawa, L. N.K. Duhl, N. Woolsey, S. Kojima, S. Sakabe, M. Kanasaki, T. Yamauchi, K. Oda, Y. Fukuda, S. Isayama, S.H. Chen, Y.T. Liao, W.Y. Woon
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser-Driven Ion Acceleration Using Sub- Picosecond intense Laser Pulses and Nano-Thin Solid Targets (2019)
  • 著者名/発表者名: Leonard Nikolas Konstantin Doehl, Reem Alraddadi, Christopher Baird, Nicola Booth, Damon Farley, Yuji Fukuda, Shih-Ming He, Robert Heathcote, Masato Kanasaki, Yasuhiro Kuramitsu, Kate Lancaster, Christopher Murphy, Christopher Ridgers, William Trickey, Wei-Yen Woon, Nigel Woolsey
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Identification Method of Carbon Ions using Solid State Nuclear Track Detectors for Laser-driven Acceleration Experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Hihara, Masato Kanasaki, Keita Sakamoto, Takafumi Asai, Satoshi Kodaira, Keiji Oda, Tomoya Yamauchi, Yasuhiro Kuramitsu, Yuji Fukuda
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Laser Ion Acceleration by Irradiating Large-Area Suspended Graphene with Femtosecond Pulse Laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Takumi Minami, Takamasa Hihara, Kentaro Sakai, et al., Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic Reconnection in Self-Generated and Externally Applied Magnetic Fields in Laser- Produced Plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: Taichi Morita, Masafumi Edamoto, et al., Yasuhiro Kuramitsu, et al.
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Small angle X-Ray Scattering with Sub-Micron Rod-assembly Target at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: Masato Ota, et al., Yasuaki Kishimoto, Youichi Sakawa
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Double Plasma Mirror Systems for Repeatable High-Contrast, High-intense Laser-Solid Interactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Nigel Woolsey, Leo Doehl, Nicola Booth, Rob Clarke, David Neely, Dean Rusby, Chris Spindloe, Yuji Fukuda, Tina EBERT, Markus HESSE, Nico NEUMANN, Markus ROTH, Alexandra TEBARTZ, Jonathan JARRETT, Paul McKenna, Masato KANASAKI, Kentaro Sakai, Yasuhiro KURAMITSU et al.
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation of Quasi-monoenergetic Ion Acceleration by Collisionless Shock (2019)
  • 著者名/発表者名: T.Izumi ,M.Ota ,S.Egashira ,R.Kumar ,A.Morace ,T.Minami ,T.Hihara ,K.Sakai , Y. Kuramitsu , K. Kondo , A. S. Pirozhkov , H. Kiriyama T. Morita , M. Takagi , T. Asai , K. Sakamoto , K. Shimizu , M. Kanasaki , S. Jinno , Y. Fukuda , and Y. Sakawa
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic reconnection of strong field generated by capacitor-coil target (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Egashira , M. Ota , K. Law , K. Matsuo , R. Kumar , T. Sano , A. Morace , T. Morita , N. Bolouki , T. Minami , Y. Fujita , K. Sakai , D. Kamibayashi , Y. Kuramitsu , H. Habara , S. Fujioka , A. Yogo , Y. Fukuda , M. Kanasaki , T. Moritaka , and Y. Sakawa
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental investigations on space and astrophysical phenomena with intense lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: 地球電磁気・惑星圏学会 （SGEPPS） 秋学会
• [学会発表] Effect of plasma density gradient on fast electrons produced by Laser Wakefield acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Hayashi And Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2019)
  • 国際学会