「プラズマ」を癌治療から宇宙探索まで幅広く活用！ フェムト秒X線パルスでの分析に成功

・高強度レーザーによって生成されたプラズマが、生成後数フェムト秒でどのように膨張するかをX線レーザーにより調べた。
・核融合エネルギー、高エネルギー宇宙線、新しい粒子加速器などの研究に利用できる。

金属片に超高強度レーザーを照射すると、プラズマ（負電荷の電子と正電荷のイオンをほぼ同数含む電離ガス）が発生します。

プラズマは、従来の中性気体とは大きく異なるため、「第4の物質状態」と考えられています。液体のように流れたり、原子の集団がくっついたような領域があったりと、集団的な振る舞いをします。

プラズマの研究は、超短パルスレーザーと固体との相互作用や、星の内部で起こっていることの理解に役立ち、また、癌などの深刻な病気を治療するための高度な粒子加速器の開発を加速させる可能性があります。

米国のSLAC国立加速器研究所の科学者たちは、自由電子レーザーのX線レーザーを用いて、超高強度レーザーで生成されたプラズマが形成されてから数フェムト秒（フェムト秒：千兆分の1秒）後にどのように膨張するかを初めて調べました。最終的には、この方法によってプラズマの微細な不安定性を明らかにすることができます。

X線の代わりに荷電粒子を用いて腫瘍細胞を死滅させる癌治療法である陽子線治療のために、科学者たちはプラズマの特性を利用した新しいタイプの粒子加速器の開発に取り組んできました。この技術は、周囲の組織を傷つけることがなく、従来の放射線療法よりもはるかに安全です。

固体材料と超高強度レーザーの相互作用によってプラズマが生成され、その過程で物質の裏側から陽子線の流れが連続的に放出されます。

この陽子線の流れを使って、腫瘍細胞を根絶するのが狙いです。しかしながら、この陽子線流を効果的かつ信頼性の高い方法で形成するには、プラズマが成長する際にどのように変化するかを詳細に理解する必要があります。プラズマ内を行ったり来たりするイオンや、複雑な電子の流れによって、様々なモードのプラズマ不安定性が発生する可能性があります。

プラズマの変化をどのように探ったのか？

プラズマは非常に小さく、しかも驚くほど速い時間スケールで起こるため、プラズマの変化を分析することは非常に困難です。そこで、研究者たちは超短パルス高出力光レーザーでプラズマを形成し、X線自由電子レーザーでプラズマを調べました。

MEC（Matter in Extreme Conditions：極限状態の物質）装置で、惑星や物質の過酷な条件を模倣した、非常に高密度で高温の物質を作り出したのです。シミュレーションによると、レーザーを照射した物質の温度は、過去最高の20,000,000℃に達しました。ちなみに、太陽の中心温度は5,500℃近くです。

実験装置の概略図
出典：研究者

研究者たちは、拳から突き出た関節のようなシリコン棒が盛り上がった物質を作りました。この物質に光パルスを照射したところ、数百フェムト秒以内に、関節のようなものの間に少量のプラズマがストックされることを発見しました。そして、X線パルスの散乱というユニークな方法で、プラズマの中の様子を観察し、その進化を追跡したのです。

どのように役に立つのか？

この方法によって、研究者はプラズマの不安定性をよりよく理解することができ、さらに、癌治療用の信頼性の高い陽子源を小さなフットプリントで生成することができるようになります。また、核融合エネルギー、研究所の天体物理学（高エネルギー宇宙線を含む）、その他の種類の粒子加速器の研究にも利用することができます。

将来的には、研究室で宇宙線粒子のジェット（活動銀河核ジェットと同様、既知の最大の粒子加速器）を発生させ、不安定性の形成過程を調べ、それが実際にどのように起こるかを解明しようとしています。