これまでの研究で、大阪大学レーザー科学研究所の村上匡且教授らの研究グループは、ミクロンサイズのバブルを内包する水素化合物の外側から数十フェムト秒 の長さの超高強度レーザーを照射し、バブルがナノメートル のスケールにまで収縮した瞬間に起こる「マイクロバブル爆縮」という特異な生成原理を2018年5月に世界で初めて発見しました。

今回、同研究グループは、超高強度レーザーを用いた「マイクロバブル爆縮」について3次元シミュレーションを行い、バブルの最大圧縮時の密度は、原理的に、シュウィンガー極限電場を達成し得る、個体密度の数十万～百万倍にまで増大することを発見しました。これは、角砂糖大で数百キログラムの重さに相当します。またこの時のバブル中心でのエネルギー密度は太陽中心に比べ百万倍程度高いことがわかリました。これらの驚愕すべき値は、地上では到底達成できないと思われてきたものです。

図1　「マイクロバブル爆縮」の概念図

図2　各種のプラズマ現象に対する「数密度(横軸)-温度（縦軸）」ダイアグラム。
マイクロバブル爆縮により圧縮可能な最大密度は白色矮星内部の密度に匹敵する。

我々の宇宙は物質と真空からなり、「真空」とは何もない空虚な空間、と一般には思われがちですが、実は素粒子である電子・陽電子という「粒子と反粒子のペア」が想像を絶するほど短時間の間に生成・消滅を繰り返していると考えられています。真空の持つこの物理は、まさに「色即是空・空即是色」 という理を想起させるものですが、その実態は未だ謎に満ちています。真空物理の探求は、ビッグバン に象徴される宇宙開闢の謎に迫ると共に、現代物理における根源的疑問の解明に繋がるものです。しかしこれまで、上記のペア生成粒子が対消滅する前にそれらを強制的に引き離し、物質として我々の空間に長時間出現せしめるためには、現在の最新レーザー技術によって達成し得る電界値のさらに一千万倍以上（シュウィンガー極限）が必要とされてきました。

従来、電子・陽電子の対生成は超高強度のレーザーの対向照射による光子-光子衝突によるものが基本であり、今回のようにプロトンを「球収縮による幾何学的圧縮効果」を利用して超高密度に圧縮し、その結果としてできる超高静電場によって電子・陽電子対生成を誘導しようというアイデアは、独創性の高いものです。

本研究成果により、これまで全くの前人未踏であった超高エネルギー密度領域における、光と物質の根源的振る舞いを記述する非線形量子電磁力学の研究に大きな一石を投じるものと期待されます。

ブラックホールや宇宙を飛び交う高エネルギー粒子の起源といった長大な時空スケールにおける未解明の宇宙物理の解明に貢献するだけでなく、将来的には核融合反応によるコンパクトな中性子線源 等として医療・産業への応用研究にも貢献することが期待されます。

本研究成果は、下記のジャーナルに詳細が掲載されました。
タイトル：“Relativistic proton emission from ultrahigh-energy-density nanosphere generated by microbubble implosion”
掲載場所：Phys. Plasmas 26, 043112 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5093043
著者名：M. Murakami, A. Arefiev, M.A. Zosa, J.K. Koga, and Y. Nakamiya