[論文レビュー] Interaction of Ultra Relativistic e- e+ Fireball Beam with Plasma

P. Muggli, S. F. Martins+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2013

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ガンマ線バースト（GRB）などの天体物理学的現象における重要なマイクロ物理過程である電流フィラメント不安定性（CFI）を研究するため、実験室プラズマ実験で超相対論的電子・陽電子（e⁻e⁺）フレイムボールビームを用いることを提案する。シミュレーションの結果、10¹⁷ cm⁻³のプラズマ中でCFIは10 cmの進行距離で飽和し、強力な磁場、プラズマ勾配、および増強された放射線を生成する。これらの効果は、シュリエン撮影、ファラデー回転、X線検出、ビームエネルギー損失測定によって実験的に観測可能である。

ABSTRACT

Ab initio simulations of the propagation in a plasma of a soon to be available relativistic electron-positron beam or fireball beam provide an effective mean for the study of microphysics relevant to astrophysical scenarios. We show that the current filamentation instability associated with some of these scenarios reaches saturation after only 10 cm of propagation in a typical laboratory plasma with a density 10^17/cc. The different regimes of the instability, from the purely transverse to the mixed mode filamentation, can be accessed by varying the background plasma density. The instability generates large local plasma gradients, intense transverse magnetic fields, and enhanced emission of radiation. We suggest that these effects may be observed experimentally for the first time.

研究の動機と目的

• ガンマ線バースト（GRB）に関連する条件を再現するため、相対論的電子・陽電子フレイムボールビームがバックグラウンドプラズマと相互作用する実験的スケールのシミュレーションを調査すること。
• 中性e⁻e⁺ビームにおける電流フィラメント不安定性（CFI）が、制御されたプラズマ環境で実験的に観測可能かどうかを特定すること。
• 磁場生成、プラズマ密度勾配、放射線放出、ビームエネルギー損失といったCFIの測定可能なシグナルを同定すること。
• 近い将来に稼働予定の加速器ベースのe⁻e⁺ビーム施設を用いて、相対論的天体物理学的プラズマにおけるマイクロ不安定性の理論的・数値的モデルを検証すること。
• CFI駆動の乱流において、自己整合的な電磁場の進化と放射線生成をプローブする可能性を示すこと。

提案手法

• 事前形成されたプラズマ中を伝播するe⁻e⁺フレイムボールビームをモデル化するため、完全相対論的かつ完全な電磁気的、大規模並列型粒子-セル（PIC）コードOSIRISを用いた数値シミュレーション。
• ビームは中性で、ガウス型のプラズマとしてモデル化され、rmsサイズはσₓ = σᵧ = 20.4 μm、σ_z = 10.2 μmであり、プラズマ振動数はω_pe ≈ 1.5 × 10¹⁶ rad/sに相当する。
• シミュレーション領域は205 × 205 × 82 μm³で、z軸方向に光速で移動し、吸収境界を設けた400 × 400 × 80のグリッドに離散化されている。
• 診断技術には、ビームのフィラメント化に起因する電子密度勾配を可視化するためのシュリエンシャドウグラフィーと、横方向磁場を検出するための線形偏光プローブレーザーのファラデー回転が含まれる。
• 放射線放出は、自己生成されたB場内を運動する粒子の挙動に基づきモデル化され、プラズマウェークフィールド加速器（PWFA）実験で用いられるのと同様の標準的なX線診断法で検出可能である。
• ビームエネルギー損失は、イメージング磁場分光計を用いて測定され、シミュレーションでは10 cmの伝播距離で6–11%のエネルギー損失が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性e⁻e⁺フレイムボールビームにおける電流フィラメント不安定性（CFI）は、実験室プラズマ環境で実験的に観測可能か？
• RQ2 1回の実験で測定可能なCFIの主要な診断シグナル（磁場生成、プラズマ勾配、放射線放出など）は何か？
• RQ3 CFIの飽和長さと成長率は、バックグラウンドプラズマ密度およびビーム温度にどのように依存するか？
• RQ4 CFIにおける自己生成電磁場および放射線放出は、ガンマ線バーストの天体物理学的モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ5 ビームから磁場および放射線へのエネルギー移動は、定量的に測定可能であり、ビームエネルギー損失と相関づけることができるか？

主な発見

• 超相対論的e⁻e⁺フレイムボールビームにおける電流フィラメント不安定性（CFI）は、一般的な実験室プラズマ（密度～10¹⁷ cm⁻³）中で10 cmの伝播距離で飽和する。
• 不安定性は、ビームのフィラメント化に起因する局所的な大きなプラズマ密度勾配を生成する。これは、ビームに垂直に伝播するレーザーパルスを用いたシュリエンシャドウグラフィーで可視化可能である。
• フィラメントに垂直な平面内では、数テスラに達する横方向磁場が生成され、線形偏光プローブレーザーのファラデー回転によって検出可能である。
• 自己生成B場内で振動する電子および陽電子からの増強された放射線放出が予測され、標準的なX線診断法を用いてシンクロtron放射およびベタトロン放射を検出可能である。
• ビームは10 cmの伝播距離で、2–3 GeVのエネルギーのうち6–11%を磁場および放射線へのエネルギー移動により失う。これは、イメージング磁場分光計で測定可能である。
• ビームのフィラメント化、B場生成、放射線放出、エネルギー損失の組み合わせは、既存の診断技術を用いて1回の実験で観測可能である。