大阪大学大学院情報科学研究科の南卓海特任助教（常勤）（情報数理学専攻 非線形数理講座）、同大学院工学研究科の蔵満康浩教授（極限プラズマ工学）、台湾国立中央大学（NCU）のWei-Yen Woon 教授（物理系）、量子科学技術研究開発機構（QST）関西光量子科学研究所の福田祐仁上席研究員（光量子ビーム科学､大阪大学招へい教授）らの研究グループは、パルス幅が比較的長い高強度レーザーとグラフェンの薄膜を用いて、132メガ電子ボルト （MeV）に達する高エネルギー陽子の生成・検出に成功しました。

世界的には、レーザーエネルギーを数十フェムト秒（1フェムト秒=10⁻¹⁵秒）という短時間に集中させ、ピーク強度を高めるイオン加速研究が主流です。これに対して本研究では、高強度レーザーの中ではパルス幅が比較的長く、ピーク強度の低いピコ秒（1ピコ秒=10⁻¹²秒）レーザーを用いて、イオンを長時間加速することに着目しました。このレーザー条件に適した極薄ターゲットを用い、ゆっくり長くイオンを加速することで、陽子を光速の約50%まで加速しました。100フェムト秒より長いレーザーとしては世界最高の陽子エネルギーを実現しており、短パルスレーザーの実験結果を含めたレーザー陽子加速全体でも世界第2位となる陽子エネルギーです。

薄膜を用いたレーザーイオン加速では、効率の良い加速を達成するために、レーザーの条件に応じてターゲットをナノメートル程度まで薄くする必要があります。しかし、このような極薄ターゲットは作製が困難であることに加え、レーザーパルスのノイズ成分であるプレパルスによって、主パルスが到達する前に破壊されやすいという問題がありました。今回、研究グループは、世界最薄・最強の材料として知られ、厚さをナノメートル精度で制御できるうえ、プレパルスに対して高い耐性をもつグラフェンを16層に重ねた極薄ターゲット（厚さ約16ナノメートル）を用いました。これにより、レーザーがターゲットプラズマ全体に作用し、「動く電場」の形成・伝搬に適したターゲット条件を実現しました。プラズマ粒子シミュレーションから、レーザーによって形成された「動く電場」がターゲット前方へ伝搬し、陽子がこの電場に捕捉され、電場とともに約0.3ミリメートル進みながら、3ピコ秒以上にわたって加速されることで、132 MeVに到達することが明らかになりました。

さらに、高エネルギーまで加速された少数のイオンを確実に捉え、そのエネルギー分布を定量的に評価することも困難でした。本研究では、AIを活用した画像解析技術により、人手では解析が困難な数百万枚に上る顕微鏡画像を自動解析し、希少な高エネルギー陽子を確実に検出するとともに、そのエネルギー分布を定量的に評価することを可能にしました。

本成果は、イオンを長時間・長距離にわたって加速することで、高エネルギー化を実現できることを示した成果です。今回生成された132 MeVの陽子は光速の約半分に達する準相対論的な領域にあり、将来の相対論的イオン加速や、宇宙で起こる高エネルギー粒子加速を実験室で研究する新たな手法への発展が期待されます。また、本研究で実証したAI画像解析をオンライン計測技術と組み合わせることで、AIを活用した自律型レーザー実験システムへの発展が期待されます。