[논문 리뷰] Detailed characterization of a laboratory magnetized supercritical collisionless shock and of the associated proton energization

W. Yao, A. Fazzini외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 25.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 61인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 고출력 레이저와 강한 자기장 조건을 이용해 실험실에서 생성한 자기장이 가해진 초임계 충격파의 세밀한 실험적 및 시뮬레이션 기반 특성 분석을 제시한다. 충격파에서 양성자 에너지 증가가 충격파 표면에서의 가속화(Shock Surfing Acceleration, SSA) 방식으로 발생함을 입증하였으며, 입자-세포 동역학(PIC) 시뮬레이션을 통해 다양한 플라즈마 및 자기장 조건 하에서도 이 메커니즘이 강건함을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어된 실험실 환경에서 자기장이 가해진 초임계 비충돌성 충격파를 실험적으로 생성하고 특성 분석하기.
• 이러한 충격파에서 입자 에너지 증가, 특히 양성자 가속화의 메커니즘을 조사하기.
• 다중 진단 측정 및 운동적 시뮬레이션을 통한 충격파 표면에서의 가속화(SA) 메커니즘의 검증하기.
• 다양한 배경 플라즈마 및 자기장 조건에서 SA 메커니즘의 강건성 평가하기.
• 우주물리학적 충격파 모델의 기준으로 사용 가능한 재현 가능한 고해상도 데이터셋 제공하기.

제안 방법

• 고출력 레이저 시설(LULI2000 및 JLF/Titan)을 활용해 이온 온도가 100 eV 이상인 고속 팽창 플라즈마를 생성하였다.
• 강한 사전 존재 자기장(최대 약 100 T)을 적용하여 플라즈마를 자기장화하고, 자기장 피스톤 역학을 통해 비충돌성 충격파를 유도하였다.
• 다양한 진단 기법을 활용: 자기장 분포 측정을 위한 양성자 빔 영상, 전자 및 이온 온도 및 밀도 측정을 위한 광학적 톰슨 산란, 전자기장의 구조 분석을 위한 전기장 프로브.
• 충격파 형성 모델링을 위한 거시적 유체역학 시뮬레이션과 입자 가속화 메커니즘 모델링을 위한 운동적 입자-세포(PIC) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 배경 플라즈마 밀도 및 자기장 강도를 변화시켜 가속 메커니즘의 강건성 탐색하였다.
• 실험 측정 결과와 PIC 시뮬레이션 출력 결과를 비교하여 SA 메커니즘을 검증하고, 충격파 이동 가속화(SDA)와 같은 대체 모델을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험실에서 자기장이 가해진 초임계 비충돌성 충격파의 핵심 플라즈마 및 전자기적 매개변수(밀도, 온도, B장, E장)는 무엇인가?
• RQ2 이 자기장이 가해진 충격파 환경에서 입자 가속화 메커니즘 중 충격파 표면에서의 가속화(SSA)와 충격파 이동 가속화(SDA) 중 어느 것이 양성자 에너지 증가를 주로 이끌고 있는가?
• RQ3 다양한 배경 플라즈마 및 자기장 조건에서 SSA 메커니즘은 얼마나 강건한가?
• RQ4 운동적 PIC 시뮬레이션은 관측된 양성자 에너지 스펙트럼과 충격파 구조를 어느 정도 정확하게 재현하는가?
• RQ5 실험실에서의 충격파는 비열적 입자 분포와 같은 천체물리학적 비충돌성 충격파의 핵심 특징을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 충격파는 비충돌성이며 초임계임이 확인되었으며, 자기음속 마하 수 Mms ≳ 2.7로 나타나, 고전적 소산 메커니즘만으로는 유지되지 않음을 시사한다.
• 양성자 에너지 스펙트럼은 약 10 MeV까지 연장되는 비열적 尾를 보이며, 이는 충격파 표면에서의 가속화(SSA) 메커니즘과 일치하며, 열적 또는 확산 과정과는 다름을 시사한다.
• 운동적 PIC 시뮬레이션은 관측된 양성자 에너지 분포를 재현하며, 입자가 충격파 전면에서 횡방향 전기장(E = −v × B)을 타고 에너지를 얻는다는 것을 보여준다.
• 충격파 두께는 양성자 람프 반경보다 훨씬 작으며, 이는 SSA가 지배적이 되기 위한 핵심 조건을 충족함을 의미하며, SDA 대비 SSA 메커니즘의 해석을 지지한다.
• 자기장 및 전기장의 구조에 대한 실험 측정 결과는 PIC 시뮬레이션 예측과 양호한 일치를 보이며, 모델의 정확성을 검증한다.
• 배경 플라즈마 밀도 및 자기장 강도가 변화하더라도 양성자 에너지 증가 메커니즘이 강건함을 확인하여, 이러한 자기장이 가해진 충격파 시스템에서 SSA 메커니즘이 일반적으로 적용된다는 것을 시사한다.