ゆっくり長く陽子を光の50%まで加速! ~「動く電場」とAI画像解析で、世界最高エネルギー級の陽子加速を実証~

2026-10-02 大阪大学,量子科学技術研究開発機構,台湾国立中央大学

量子科学技術研究開発機構(QST)、大阪大学、台湾国立中央大学などの研究グループは、比較的長いピコ秒レーザーと極薄グラフェンを組み合わせ、陽子を光速の約50%に相当する132MeVまで加速することに成功した。従来のレーザーイオン加速では数十フェムト秒の短パルスレーザーが主流だったのに対し、本研究ではレーザーが作る「動く電場」に陽子を捕捉し、3ピコ秒以上、約0.3mmにわたって加速する方式を実証した。厚さ約16nmのグラフェンをターゲットに用いることで、レーザーによるプラズマ形成と電場の伝搬を最適化し、100フェムト秒を超えるレーザーを使った陽子加速として世界最高エネルギーを達成した。また、固体飛跡検出器から得られる数百万枚の顕微鏡画像をAIで自動解析し、希少な高エネルギー陽子を定量的に検出した。この技術は、次世代小型加速器や高エネルギー粒子物理、宇宙線加速機構の研究に加え、AIによる自律型レーザー実験システムへの発展が期待される。

ゆっくり長く陽子を光の50%まで加速! ~「動く電場」とAI画像解析で、世界最高エネルギー級の陽子加速を実証~
​図1.本研究の実験配置および検出された陽子のエネルギー分布。

<関連情報>

大面積懸架グラフェンへの高強度レーザー照射によって誘起される伝播静電波を介した陽子サーフィン加速 Proton Surfing Acceleration via Propagating Electrostatic Waves Induced by Intense Laser Irradiation on Large-Area Suspended Graphene

Takumi Minami, Che-Men Chu, Kentaro Sakai, Tomoya Taguchi, Takamasa Hihara, Naoya Tamaki, Soichiro Suzuki, Fuka Nikaido, Yuki Abe, Hideaki Habara, …
Progress of Theoretical and Experimental Physics  Published:02 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/ptep/ptag130

Abstract

Generating 100-MeV protons is pivotal to developing laser-driven ion sources for many applications that range from medicine to laboratory astrophysics. An ultra-thin target is a way to increase the ion energy; however, such a target is easily destroyed by the interaction with laser prepulses. We have developed a large-area suspended graphene (LSG) target and demonstrated its durability by generating energetic protons and carbons by irradiating the thinnest target ever (2 nm) with an ultra-intense laser without a plasma mirror. Here, we show the experimental results of proton energies reaching 132 MeV by optimizing the laser conditions for the ultra-thin LSG targets. Ion diagnostics were primarily performed using a CR-39 stack detector combined with machine-learning-assisted analysis. Numerical simulations support the experimental results, where the radiation pressure of a relatively long-duration, low-intensity laser pulse slowly pushes the plasma, leading to the formation of a propagating electrostatic wave that efficiently accelerates protons, as in surfing acceleration.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました