研究室、地上で宇宙のペアプラズマ生成に成功：極端な天体環境に類似

Tokyo科学者たちは実験室で高密度の電子と陽電子のビームを生成しました。これは、深宇宙で見られるものと似ており、高エネルギー科学の大きな進歩です。

ロチェスター大学のレーザーエネルギー学研究所を含む世界中の研究者たちは、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に彼らの研究成果を発表しました。彼らは、以前より100倍から1,000倍以上多くの対を生成することに成功しました。

以下に重要なポイントを簡潔にまとめます。

以下の機関が関与しています：ロチェスター大学、CERN、オックスフォード大学。CERNのスーパー・プロトン・シンクロトロン（SPS）加速器内のHiRadMat施設を利用しました。ほぼ中性の電子と陽電子の対ビームを生成しました。各プロトンの運動エネルギーは、その静止エネルギーの440倍に達しました。

ブラックホールや中性子星は、宇宙で最も密度の高い天体です。これらの天体の周囲には、プラズマと呼ばれる物質があります。特に、電子・陽電子対プラズマがあり、これは電子と陽電子が光速に近い速さで動いているものです。このプラズマを実験室で生成することは、今まで困難でした。

オックスフォード大学の物理学者チャールズ・アロウスミス氏は、秋にLLEに加わる予定です。彼によれば、電子・陽電子対を大量に生成することは非常に困難であり、これまで私たちの知識は理論的な概念に限られていました。しかし、実験の成功により、実験室での天体物理学研究に新たな可能性が開かれました。

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チームはCERNのSPS加速器から1000億以上のプロトンを使用しました。これらのプロトンは、原子を粉砕してクォークやグルーオンを放出するのに十分なエネルギーを持っています。このプロセスによって、電子と陽電子を生じるシャワーが発生します。多数の粒子が存在することで、ビームは宇宙に見られるプラズマのように振る舞い始めます。

LLEのダスティン・フルーラとダニエル・ハーバーガーは、アロースミスと協力して実験を設計しました。彼らは、英国のサイエンス・アンド・テクノロジー・ファシリティーズ・カウンシル ラザフォード・アップルトン研究所、ストラスクライド大学、及びアトミック・ウェポンズ・エスタブリッシュメントの科学者たちと共同で研究に取り組みました。

この研究は、ガンマ線バーストやブレーザーのジェットでの微小な粒子の挙動を理解するのに役立つ可能性があります。アロースミス氏は、粒子ビームの広がりを変える方法を開発したと述べており、これにより制御された環境でプラズマの相互作用を研究することが可能になります。

オックスフォード大学のジャンルカ・グレゴリは、遠くの宇宙物体の非常に小さな細部は望遠鏡では観測できないと述べています。実験室での実験によって、コンピューターモデルの予測が正しいかどうかが確認される予定です。さらに、グレゴリは世界中の異なる研究所の科学者たちが協力することの重要性を強調しています。

他の協力機関には、ローレンス・リバモア国立研究所、マックス・プランク核物理研究所、アイスランド大学、そしてポルトガルのテクニコ高等学院が含まれています。このチームは、非常に強力なレーザーを衝突させることで、プラズマ科学を進展させようとしています。彼らは、この研究をNSF OPAL施設で行う予定です。