[論文レビュー] Detailed characterization of a laboratory magnetized supercritical collisionless shock and of the associated proton energization

W. Yao, A. Fazzini+20 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 61被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、高功率レーザーと強い磁場を用いて実験的に生成された磁化・超臨界な衝撃波の詳細な実験的・シミュレーション的特性評価を報告する。陽子のエネルギー増幅は衝撃波サーフィン加速（SSA）によって発生しており、粒子-セルフコンスタント（PIC）シミュレーションにより、異なるプラズマおよび磁場条件下でもこのメカニズムの頑健性が確認された。

ABSTRACT

Collisionless shocks are ubiquitous in the Universe and are held responsible for the production of non-thermal particles and high-energy radiation. In the absence of particle collisions in the system, theoretical works show that the interaction of an expanding plasma with a pre-existing electromagnetic structure (as in our case) is able to induce energy dissipation and allow for shock formation. Shock formation can alternatively take place when two plasmas interact, through microscopic instabilities inducing electromagnetic fields which are able in turn to mediate energy dissipation and shock formation. Using our platform where we couple a fast-expanding plasma induced by high-power lasers (JLF/Titan at LLNL and LULI2000) with high-strength magnetic fields, we have investigated the generation of magnetized collisionless shock and the associated particle energization. We have characterized the shock to be collisionless and super-critical. We report here on measurements of the plasma density, temperature, the electromagnetic field structures, and particle energization in the experiments, under various conditions of ambient plasma and B-field. We have also modeled the formation of the shocks using macroscopic hydrodynamic simulations and the associated particle acceleration using kinetic particle-in-cell simulations. As a companion paper of \citet{yao2020laboratory}, here we show additional results of the experiments and simulations, providing more information to reproduce them and demonstrating the robustness of our interpreted proton energization mechanism to be shock surfing acceleration.

研究の動機と目的

• 制御された実験室環境で磁化・超臨界な衝撃波を実験的に生成・特性評価すること。
• このような衝撃波における粒子エネルギー増幅、特に陽子加速のメカニズムを調査すること。
• マルチ診断測定とキネティックシミュレーションを通じて、衝撃波サーフィン加速（SSA）メカニズムの妥当性を検証すること。
• さまざまな周囲プラズマおよび磁場条件におけるSSAメカニズムの頑健性を評価すること。
• 天体物理学的衝撃波モデルのベンチマークに用いるための再現可能で高分解能のデータセットを提供すること。

提案手法

• LULI2000およびJLF/Titanの高パワー・レーザー施設を用い、イオン温度が100 eVを超える高速膨張プラズマを生成した。
• 強い事前磁場（最大約100 T）を印加してプラズマを磁化し、磁場ピストン力学によって衝撃波を誘発した。
• 複数の診断法を用いた：磁場マッピングには陽子レントゲン写真法、電子およびイオン温度・密度測定には光学トンプソン散乱、電磁場構造測定には電場プローブ。
• 衝撃波形成をモデル化するためのマクロな流体力学的シミュレーションと、粒子加速メカニズムをモデル化するためのキネティック粒子-セルフコンスタント（PIC）シミュレーションを実施した。
• 加速メカニズムの頑健性を調査するために、周囲プラズマ密度および磁場強度を変化させた。
• 実験測定結果とPICシミュレーション出力を比較し、SSAメカニズムの妥当性を検証するとともに、衝撃波ドリフト加速（SDA）などの代替モデルを除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験室で生成された磁化・超臨界な衝撃波の特徴を規定する主要なプラズマおよび電磁場パラメータ（密度、温度、B場、E場）は何か？
• RQ2 この磁化衝撃環境下で、陽子エネルギー増幅を支配するのは衝撃波サーフィン加速（SSA）か、衝撃波ドリフト加速（SDA）か？
• RQ3 さまざまな周囲プラズマおよび磁場条件において、SSAメカニズムはどの程度頑健か？
• RQ4 キネティックPICシミュレーションは観測された陽子エネルギー分布および衝撃波構造をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 実験的衝撃波は、非熱的粒子集団を含む、天体物理学的衝撃波の主要な特徴を再現できるか？

主な発見

• 衝撃波は衝撃波的かつ超臨界であることが確認され、磁音速マッハ数Mms ≳ 2.7を示しており、これは古典的散乱による維持では説明できないことを示している。
• 陽子エネルギー分布は、10 MeVまで延びる非熱的尾部を示しており、これは熱的または拡산的プロセスではなく、衝撃波サーフィン加速（SSA）に起因するものと一致している。
• キネティックPICシミュレーションは観測された陽子エネルギー分布を再現しており、粒子が衝撃波先端での横磁場電場（E = −v × B）に沿ってサーフィンすることでエネルギーを獲得していることが示された。
• 衝撃波幅は陽子のラーモア半径よりもはるかに小さく、これはSSAが支配的であるための重要な条件であり、SSA解釈がSDAを上回ることを支持している。
• 磁場および電場構造の実験的測定結果は、PICシミュレーションの予測と良好に一致しており、モデルの正確性が裏付けられた。
• 陽子エネルギー増幅メカニズムは、周囲プラズマ密度および磁場強度の変化に対しても頑健であることが判明し、このような磁化衝撃系におけるSSAメカニズムの一般性が示された。