Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion

高エネルギー物理学の世界において、科学者たちは長年、巨大な部屋サイズの装置を用いる代わりに、光を用いて高速で移動する原子粒子の強力なビームを作り出す方法を追い求めてきました。数十年にわたり、標準的な手法は、強烈なレーザーを固体ターゲットに照射し、電子を原子から剥ぎ取って、正に帯電した表面を残すというものでした。この表面は、巨大で見えないスリングショット（投石器）のように機能し、近くにあるイオン（電荷を帯じた原子）を驚異的な速度で外側へと弾き飛ばします。ターゲット・ノーマル・シース加速（Target Normal Sheath Acceleration）として知られるこの技術は成功を収めてきましたが、多くの場合、エネルギーの範囲が広い混沌とした粒子の飛散を生み出すため、医療用画像診断やがん治療のような精密な作業には使いにくいという課題がありました。研究者たちは、ほぼすべての粒子が全く同じ速度で移動する、すなわち「準単一エネルギー（quasi-monoenergetic）」と呼ばれる特性を持つビームを作り出し、かつ、そのビームを生成する繊細なレーザー機器から離れた方向へと向ける方法を模索してきました。

日本の量子科学技術研究開発機構と大阪大学の研究チームは、この探求における重要な一歩を実証しました。彼らは「ブースト・コールン爆発（Boosted Coulomb Explosion）」と呼ばれるメカニ den 機序を利用しました。これは、レーザーが定在波（standing wave）を作り出し、それが予熱されたプラズマから電子を押し出すことで、残った重いイオンが密でエネルギッシュなバーストとなって外側へ爆発するようにするプロセスです。これまでの実験では、この爆発は粒子をレーザーに向かって飛ばすだけでした。これは、レーザーを集光するために必要なミラーやレンズがまさにその経路にあるため、問題となります。しかし、チームの新しい研究によれば、重水でコーティングされた非常に薄いアルミニウムのシートを使用することで、この爆発を引き起こし、デウテロン（重水素の原子）のクリーンで高エネルギーなビームを、ターゲットの前面と背面の両方から同時に放出させることができることが示されました。

実験は、レーザー・フォー・ファスト・イグニッション・エクスペリメント（Laser for Fast Ignition Experiment）施設で行われ、4つの同期したレーザーパルスを組み合わせて、極小のターゲットに膨大なエネルギーのバーストを送り込みました。ターゲット自体は、厚さがわずか1.5マイクロメートル（細菌1個の幅ほど）のアルミニウム箔であり、その片側に微細な重水の層が堆積されていました。レーザーがターゲットに当たると、数兆分の1秒早く到着したプレパルス（前パルス）の光が、重水の層を熱く膨張するプラズマの雲へと変えました。その後、メインのレーザーパルスが続き、この雲と相互作用して爆発的な力を生み出しました。アルミニウム箔が非常に薄かったため、相互作用の途中でレーザーがターゲットを突き抜ける現象、すなわち「相対論的透明性（relativistic transparency）」が発生しました。この突破口により、加速プロセスが、レーザーに面している側だけでなく、箔の両側で発生することが可能となりました。

結果は驚くべきものでした。レーザーに面している側では、チームは平均エネルギー20.4メガ電子ボルト（MeV）で、速度の広がりが非常に狭いデウテロンのビームを測定しました。反対側のターゲット背面では、さらに印象的な23.8メガ電子ボルトのビームが検出されました。背面のビームが特に特別であったのは、その純度です。それは、このような測定をしばしば混乱させる低エネルギーの背景粒子を含んでいませんでした。研究者たちは、アルミニウムの薄さが鍵であったことを見出しました。より厚いターゲットでは、レーザーが表面で反射し、粒子を前方へ押し出す長い持続的な波を作り出します。しかし、この薄いターゲットでは、レーザーが貫通するため、押し出す時間は短くなりますが、加速された粒子が材料を通り抜けて反対側へと出現することを可能にします。コンピュータ・シミュレーションは、レーザーパルスがどのようにターゲットに浸透し、定在波がどのように崩壊しながらも、依然としてかなりの数の粒子を背面へと加速させるのかという全体像を裏付けました。

この発見は、レーザー駆動型イオン源の活用における実用的な可能性を変えるものです。以前は、ビームの方向が大きな障害となっていました。なぜなら、レーザーの光学機器が診断装置や潜在的な用途への経路を遮ってしまうからです。双方向のビームを実現することで、研究者たちは、レーザーの眩しさから離れた位置に検出器や治療装置を配置するための明確な経路を切り開きました。背面のビームが高エネルギーであるだけでなく、低エネルギーのノイズがないという事実は、それが将来の技術にとって非常に効率的な光源になり得ることを示唆しています。粒子のピークエネルギーは、以前の研究における厚いターゲットを用いた場合よりもわずかに低かったものの、ビームの質と指向性は、粒子がどのように誕生し、どこへ向かうかを制御する上での大きな進歩を表しています。この研究は、光と物質が極限の速度でどのように相互作用するかについての理解を深め、ターゲットの厚さが、結果として得られる粒子ビームの方向と質を制御するための精密なダイヤルのように使用できることを証明しました。