宇宙と共通する航跡場加速の原理で拓く次世代レーザー駆動イオン加速器への道
総合理工学研究院
諌山翔伍 助教
ポイント
・加速器科学や医療応用分野では、高エネルギーイオン加速器の小型化や高性能化が世界的な課題となっています。
・高強度レーザーをフォーム標的に照射し、フォームの密度を利用してレーザー光とともに進むプラズマの波の速さを制御し、イオンを波に乗せて加速することに成功しました。これは、世界初のイオン航跡場加速の実証です。
・本成果は、宇宙と共通するイオン加速機構の理解と応用に向けた道筋を示し、次世代レーザー駆動イオン加速器の開発や宇宙線（※1）研究の新たな展開につながるものです。
概要
本研究は、宇宙で起こる高エネルギー粒子加速と共通する物理を、実験室で再現したものです。粒子をどのような原理で高エネルギー化できるかは、宇宙線研究だけでなく、次世代加速器の実現に向けても重要な課題です。大型ハドロン衝突型加速器に代表される従来の加速器では、粒子を長い加速管や大きなリングの中で少しずつ加速するため、高いエネルギーを得ようとすると装置が大型化するという課題がありました。この制約を超える手法として、プラズマの波が作る強い電場を利用するレーザー加速が注目されています。一方で、電子に比べて重い陽子やイオンをプラズマの波に捕まえ、波乗りするように効率よく加速することは、大きな課題として残されていました。
今回、九州大学大学院総合理工学研究院の諌山翔伍助教、量子科学技術研究開発機構（QST）・関西光量子科学研究所の福田祐仁上席研究員、大阪大学大学院工学研究科の蔵満康浩教授らの研究グループは、QST関西研の高強度レーザーJ-KAREN-Pを厚さ100マイクロメートルのスポンジ状フォーム標的に照射しました。フォームの密度を利用してレーザー光の進む速さを制御し、陽子をプラズマの波に乗せることで、最大60 MeVまで加速することに成功しました。この加速では、レーザー前面に電子が集まり、強い電場が形成されます。陽子はこの電場に捕まり、レーザーとともに進むプラズマの波に乗るように加速されます。この加速機構を「Bow-wake加速」（※2）と呼びます。本成果は、宇宙線加速と共通するイオン加速機構を実験的に示すとともに、レーザーを用いた次世代イオン加速器に向けた新しい原理を示したものです。今後、この機構を多段式に発展させることで、コンパクトな装置による高エネルギーイオン生成への展開が期待されます。
本研究成果は、国際科学誌「Communications Physics」に2026年8月3日（月）（日本時間午後6時）に掲載されました。
研究者からひとこと
船が水面に航跡波を残すように、高強度レーザーはプラズマ中に航跡場を作ります。今回私たちは、その波の先端に陽子が捕まり、波乗りするように加速される「Bow-wake加速」の原理を実証しました。本成果は、宇宙で起こる高エネルギー粒子加速と共通する仕組みを実験室で捉えたものであり、コンパクトな次世代レーザー駆動イオン加速器の実現に向けた新たな一歩となります。（諌山翔伍）
用語解説
(※1) 宇宙線
宇宙線とは、宇宙を飛び交う高エネルギーの粒子や放射線の総称です。特に1018 eVのエネルギーを超えるものは超高エネルギー宇宙線と呼ばれ、主に陽子や原子核からなると考えられています。その加速機構は、宇宙物理学における未解決課題の一つです。従来は、衝撃波で粒子が少しずつ加速される機構が考えられてきました。しかし、相対論的な衝撃波ではこの機構が効きにくい場合があり、強い電場を持つ航跡場による直接加速が、超高エネルギー宇宙線の新たな加速機構として注目されています。
(※2) Bow-wake加速
大振幅電磁波や高強度レーザーが作る航跡場のうち、進行方向前方に形成される波の先端構造を Bow-wake と呼びます。この構造がイオンとほぼ同じ速度で進むと、陽子などの重いイオンが捕まり、波に乗るように加速されます。高エネルギー宇宙線生成に関わる加速機構としても注目されています。
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