光を制御し、イオンを波に乗せる新たな加速原理を実証 ー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ー

2026-08-03 九州大学

九州大学、量子科学技術研究開発機構(QST)、大阪大学などの研究グループは、高強度レーザーを用いてイオンを効率よく加速する新原理「Bow-wake加速」を世界で初めて実証した。研究では、高強度レーザーJ-KAREN-Pをスポンジ状フォーム標的に照射し、フォーム密度によってレーザーとともに進むプラズマ航跡場の速度を制御することで、陽子を波に乗せるように加速し、最大60MeVまで到達させた。この加速では、レーザー前方に形成される高密度電子群が強い電場を生み、陽子がその電場に捕捉されて効率的にエネルギーを獲得する。これは宇宙で超高エネルギー宇宙線が加速される機構と共通する物理現象を実験室で再現した成果であり、宇宙線起源の理解を深めるとともに、従来より小型で高性能なレーザー駆動イオン加速器の実現に向けた新たな理論・技術基盤となる。今後は多段加速への展開により、さらに高エネルギーイオンの生成が期待される

光を制御し、イオンを波に乗せる新たな加速原理を実証 ー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ー

<関連情報>

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S. Isayama,K. Nakahara,T. Morita,M. Hoshino,Y. Abe,T. Taguchi,F. Nikaido,K. Kuramoto,T. Yasui,N. Tamaki,Y. Esaki,Y. Naito,K. Ida,H. Kusano,R. Kitamura,K. Iwasa,S. Kurochi,Y. Arakawa,T. Takami,M. Nagao,N. Hayashi,R. Yamamoto,Y. Nakamura,K. Yamanaka,… Y. Kuramitsu
Communications Physics  Published:03 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-026-02749-7

Abstract

Wakefield acceleration has been considered a possible mechanism for producing cosmic rays, including extremely high-energy ions, especially in astrophysical environments. In the laboratory, however, laser-driven wakefield acceleration of ions remains challenging because ions are much heavier than electrons. A central issue is how ions enter the accelerating field. One possible route with present laser facilities is to use dense plasma, in which the wake moves more slowly and ions can be trapped by the bow wake formed at the laser front. Here we experimentally demonstrate bow-wake acceleration of protons using resorcinol-formaldehyde foam targets. We obtain protons with energies up to 60 MeV. Three-dimensional particle-in-cell simulations support the interpretation that the protons are accelerated by the bow wake. These results show that dense plasma can enable ion injection into laser-driven wakes and provide a laboratory route toward bow-wake acceleration of high-energy ions.

1701物理及び化学
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