日本研究团队首次演示离子尾场加速 质子最高加速至60 MeV

九州大学、国立量子科学技术研究所和大阪大学近日联合宣布，研究团队利用高强度激光照射泡沫靶，首次实验演示了“离子尾场加速”机制，为下一代激光驱动离子加速器研究提供了新的实验基础。相关成果已于日本时间8月3日发表在《通信物理学》上。

据介绍，该研究旨在于实验室中重现类似太空高能粒子加速的物理过程。传统高能加速器通常需要较长加速管或大型环形装置，而等离子体波产生的强电场被认为有望推动加速器小型化。不过，与电子相比，质子和离子质量更大，难以被高速传播的等离子体尾场捕获并有效加速，这一直是该领域的重要难题。

研究团队使用国立量子科学技术研究所关西研究所的高强度激光装置J-KAREN-P，将激光照射到厚度为100微米的海绵状泡沫靶上。通过调控泡沫靶密度，研究人员降低了随激光传播的等离子体波相速度，使近乎静止的质子能够被激光前沿形成的强电场捕获，并随等离子体波加速。实验中，质子最高被加速至60 MeV。

这种加速过程被称为“弓形尾流加速”。当激光穿过较高密度等离子体时，电子会在激光前方聚集，形成局部强电荷分离电场;质子被该电场捕获后，在与激光共同传播的尾场中持续获得能量。研究团队认为，该机制与宇宙射线加速中可能存在的过程具有相似性，也为实验室研究太空粒子加速条件提供了手段。

下一步，研究团队计划发展两级加速方案：先用第一束激光对离子进行预加速，再将其注入第二束激光产生的尾场中进一步加速。研究目标包括验证将几十MeV离子继续加速至数百MeV的原理，并借助罗马尼亚ELI-NP装置和法国Apollon装置开展更高强度激光实验，探索产生GeV级相对论性离子的可能性。未来，该机制有望发展为多级激光驱动离子加速系统，用于产生更高能量的离子束。