[論文レビュー] Transport of high-energy charged particles through spatially-intermittent turbulent magnetic fields

L. Chen, A. F. A. Bott+23 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、オメガレーザ施設におけるレーザー駆動プラズマを用いて、空間的間欠的乱流磁場を介した高エネルギー荷電粒子の輸送を実験的に調査した。超高エネルギー宇宙線（UHECR）に相当する条件下で、拡산は磁場の間欠性に影響を受けないことが示され、宇宙間媒体におけるUHECR輸送の標準的拡散理論の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

Identifying the sources of the highest energy cosmic rays requires understanding how they are deflected by the stochastic, spatially intermittent intergalactic magnetic field. Here we report measurements of energetic charged-particle propagation through a laser-produced magnetized plasma with these properties. We characterize the diffusive transport of the particles experimentally. The results show that the transport is diffusive and that, for the regime of interest for the highest-energy cosmic rays, the diffusion coefficient is unaffected by the spatial intermittency of the magnetic field.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の輸送に関連する空間的間欠的乱流磁場を介した荷電粒子輸送を実験的に研究すること。
• 大半のガロア半径対相関長さの領域（rg ≫ ℓB）において、確率的磁場の空間的間欠性が粒子拡散に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 宇宙間媒体に一般的に見られる弱磁場乱流プラズマにおける拡散理論モデルの妥当性を検証すること。
• 理論的予測と天体観測の間のギャップを埋めるために、制御された条件下での実験的測定を提供すること。
• 非ガウス的かつ間欠的な磁場を持つ領域において、標準的（マコヴ）拡散理論がUHECR輸送のモデル化に信頼性を持って適用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• オメガレーザ施設におけるレーザー駆動プラズマ実験により、平均値がゼロで確率的磁場を有する乱流的かつ磁化されたプラズマを生成した。
• プロトンレントゲン写真法により、50 µmの空間分解能を用いて磁場構造を診断し、散逸スケールまでに達する揺らぎを解像した。
• 15.0 MeVのプロトンビームを、指数分布を示す合成磁場を介して追跡するテスト粒子シミュレーションを実施。Brms = 80 kG、ℓB = 50 µmを設定。
• 小さな偏向近似を用い、さまざまな経路長におけるRMS横方向速度を測定することで、拡散の度合いを定量化した。
• 磁場統計は、実験パラメータに一致させるために、所定のエネルギースペクトルを持つ単一スケールで一様な確率的場としてモデル化した。
• ビーム断面積（A）を変化させ、磁場構造サイズ（A ≪ 4ℓB² と A ≫ 4ℓB²）に対する拡散の依存性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流磁場の空間的間欠性が、高エネルギー荷電粒子の拡散係数を顕著に変化させるか？
• RQ2 ビーム断面積が、磁場相関長さに対して磁場構造サイズと比較してどのように拡散に影響を与えるか？
• RQ3 非ガウス的磁場統計が、rg ≫ ℓB領域における粒子輸送にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 現実的な磁場条件のもとで、宇宙間媒体におけるUHECR輸送をモデル化するにあたり、標準的マコフ拡散理論を信頼性を持って適用できるか？
• RQ5 時間依存的拡散の原因として、電磁場不安定性または波-粒子相互作用が関与する可能性はあるか、その影響は何か？

主な発見

• 超高エネルギー宇宙線に相当する領域において、測定された拡散係数は、磁場の空間的間欠性に影響を受けていなかった。
• ビーム断面積が磁場構造サイズに比べてはるかに小さい場合（A/4ℓB² ≪ 1）、経路長ℓi > ℓBの領域で標準的ランダムウォーク推定式（式C8）に従う拡散が観測された。
• 断面積が大きいビーム（A/4ℓB² > 1）についても、同様の拡散行動に収束し、標準的拡散理論の頑健性が確認された。
• 顕著な散乱増幅が観測されなかったため、電磁場不安定性やランダウ減衰が時間依存的拡散の駆動要因である可能性は排除された。
• 本研究の結果は、宇宙間媒体におけるUHECR輸送のモデル化に、Kotera & Lemoine (2008) や Globus et al. (2008, 2019) が提唱する標準的拡散モデルを用いることの妥当性を裏付けた。
• 実験およびシミュレーション結果から、粒子拡散は非ガウス的または間欠的な磁場の性質ではなく、相関長さℓBおよびBrmsに支配されていることが確認された。