大阪大学レーザー科学研究所（所長 兒玉了祐）の藤岡慎介教授らの研究グループと、ボルドー大学（フランス）、マドリッド工科大学（スペイン）、エコールポリテクニーク（フランス）、オックスフォード大学（イギリス）、ヨーク大学（イギリス）、ダルシュタッド工科大学（ドイツ）との国際共同研究チームは、ネオジム磁石 の約600倍の強さを有する600テスラ の磁場を外部から物質に加えることで、世界で初めて、物体中を光速で流れる電子ビームを高輝度のまま長距離にわたり誘導することに成功しました。実現した高輝度電子ビームを用い、高密度物質の核融合点火温度への加熱や、レーザーによる粒子加速の高効率化が期待されます。

図1　キロ・テスラ磁場を用いた相対論的電子ビームの集束の模式図。電子が磁力線に沿って動く性質を利用し、大きく発散する電子ビームを、高密度燃料に誘導する。

高強度レーザーをプラズマに照射すると、光速とほぼ等しい速度にまで電子が加速されます。この電子群は「相対論的電子ビーム」と呼ばれています。相対論的電子ビームの応用の一つとして、高密度の物質を瞬間的に加熱する「高速加熱」があります。高速加熱を用いることで、星の内部に匹敵する高温・高密度状態を実験室内で作り出し、宇宙に関わる物理現象を実験的に研究する「実験室宇宙物理学」や、「レーザー核融合 高速点火」を実現できます。

しかしながら、高強度レーザーによって加速された相対論的電子ビームは、大きな発散角（典型的には全角で100度）を持っており、長距離伝播させると、相対論的電子ビームの輝度は急激に低下するという致命的な欠点を抱えています。物質を局所的に効率良く加熱するためには、相対論的電子ビームの発散を抑える必要があります。

1MeV（メガ電子ボルト ）という高エネルギーの電子を数ミクロンの空間に閉じ込めるためには、キロ・テスラという非常に強い磁場が必要です。本国際共同研究チームは、高強度レーザーで大電流を駆動しコイルに流すことで、600テスラに達する強磁場を発生させました。この強磁場下において、相対論的電子ビームを加速させ、50ミクロンという当該分野では比較的長距離間を発散・減衰せずに伝播出来ることを実証しました。磁場を印加していない場合と比べて、約5倍の強度を達成しました。

本研究成果により、高エネルギー密度科学 、実験室宇宙物理学 、レーザー核融合への応用研究が、今後益々活発になるものと期待されます。

なお、本研究成果は、スプリンガー・ネイチャー社が発行するオープンアクセスジャーナル「Nature Communications」誌に1月9日午後7時（日本時間）に掲載・報道解禁されました。

高強度レーザーとプラズマの相互作用によって、光速とほぼ等しい速度を有する「相対論的電子」が効率的に加速されることは1990年代から知られ、研究が行われてきました。この相対論的電子のビームを使い、物質を数千万度にまで加熱することが出来れば、人類の挑戦の一つである制御核融合の点火を起こすことが出来ます（参考：日本物理学会 物理70の不思議「核融合エネルギー発電は実用化するか？」）。核融合プラズマのように、高温度かつ高密度なプラズマは高エネルギー密度プラズマと呼ばれ、その特性は星の内部の特性と極めて近く、実験室で宇宙及び天体と関連する物理現象を研究する実験室宇宙物理や実験室天文学研究でも利用できます。

相対論的電子ビームを用いた高速加熱は、大阪大学を中心としたグループによる2001年のコーン・シェル・ターゲット の発明 [R. Kodama et al., Nature, Vol. 412, pp. 798 - 802 (2001).]により一気に現実的になり、世界各国で研究が繰り広げられました。研究が進む中で、レーザーで加速された相対論的電子ビームは期待よりもかなり大きな発散角を持っていることが次第に明らかになり、高速加熱で核融合点火を実現するには、相対論的電子ビームの発散角を抑制することが必須であると認識されました。

質量が軽くて電荷を持つ電子は磁力線に補足されやすい特性を持っています。この特性を利用し、相対論的電子ビームの発生点から核融合燃料までの間に磁力線をまっすぐ張り、その磁力線に沿って相対論的電子ビームを流すというアイディアが生まれましたが、光速に近い高エネルギーの電子を磁力線で誘導するためには、キロ・テスラという普通の磁石では到底発生できない強磁場が必要であり、その実証には至っていませんでした。

大阪大学レーザー科学研究所の藤岡教授らの研究グループは、2013年に国内最大のレーザー装置である激光XII号レーザーを、キャパシター・コイル・ターゲット と呼ばれる磁場発生装置に照射することで、キロ・テスラの磁場を発生させることに成功しました [S. Fujioka et al., Scientific Reports, Vol. 3 p. 1170 (2013).]。今回は、この強磁場発生法を仏国エコールポリテクニークのLULI2000レーザー施設に導入し、実験室内で600テスラの磁場を発生させ、相対論的電子ビームの誘導に成功しました。

なお、大阪大学の大型レーザー施設で本手法を利用して行ったレーザー核融合高速点火研究の成果は現在投稿中であり、掲載決定次第改めて発表予定です。

核融合は究極のエネルギー源の一つとして、世界中で活発に研究が行われています。本研究成果により、磁場とレーザーを組み合わせた新しい核融合方式の発展が期待されます。また、宇宙プラズマにおいても、磁場とプラズマの相互作用が重要であり、本研究で開発された実験手法及びシミュレーションを用いることによって、宇宙プラズマの素過程の研究にも貢献できると期待されます。

本研究成果は、2018年1月9日午後7時（日本時間）にSpringer Nature社が発行する「Nature Communications」誌に掲載・報道解禁されました。

タイトル："Guiding of relativistic electron beams in dense matter by laser-driven magnetostatic fields"
（「レーザー生成静磁場を用いた高密度物質中での相対論的電子ビームの誘導」）

著者名：M.Bailly-Grandvaux ¹ , J.J.Santos ¹ , C.Bellei ¹ , P.Forestier-Colleoni ¹ , 藤岡慎介（大阪大学レーザー科学研究所教授） ² , L.Giuffrida ¹ , J.J.Honrubia ³ , D.Batani ¹ , R.Bouillaud ¹ , M.Chevrot ⁴ , J.E.Cross ⁵ , R.Crowston ⁶ , S.Dorard ⁴ , J.-L.Dubois ¹ , M.Ehret ^1,7 , G.Gregori ⁵ , S.Hulin ¹ , 小島完興（当時 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター・理学研究科博士後期課程、現京都大学化学研究所） ² , E.Loyez ⁴ , J.-R.Marques ⁴ , MORACE Alessio（大阪大学レーザー科学研究所助教） ² , Ph.Nicolai ¹ , M.Roth ⁷ , 坂田匠平（大阪大学レーザー科学研究所・理学研究科博士後期課程） ² , G.Schaumann ⁷ , F.Serres ⁴ , J.Servel ¹ , V.T.Tikhonchuk ¹ , N.Woolsey ⁶ , ZHANG Zhe （当時 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター特任研究員、現中国科学院物理研究所・准教授） ²

所属：
1　ボルドー大学 CELIA研究所、フランス
2　大阪大学 レーザー科学研究所、日本
3　マドリッド工科大学 航空宇宙工学、スペイン
4　エコールポリテクニーク LULI研究所、フランス
5　オックスフォード大学 物理学部、イギリス
6　ヨーク大学 物理学部、イギリス
7　ダルムシュタット工科大学 原子物理学研究所、ドイツ

国際共同研究の実施に際しては、大阪大学の国際共同研究促進プログラム等の助成を受けました。本研究の一部は、科学研究費補助金（24684044、16H02245）及び日本学術振興会特別研究員制度(14J06592)の支援にて実施されました。