日本九州大學研究生院綜合理工學研究院的諫山翔伍助教、國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構（QST）關西光量子科學研究所的福田祐仁上席研究員、大阪大學研究生院工學研究科的藏滿康浩教授等人的研究團隊，利用QST關西研究所的高強度雷射裝置「J-KAREN-P」，在全球首次證實離子尾波場加速。研究團隊通過向泡沫靶照射高強度雷射，來調控與雷射同步傳播的電漿波的速度，成功讓離子乘波並加速。這意味著研究團隊在研究室中再現了與宇宙中發生的高能粒子加速相同的物理機制，該成果有望應用於粒子束癌症治療等領域。相關研究成果已發表在期刊《Communications Physics》的8月3日刊上。
圖1 （A）船隻在水面前進時，後方形成尾波（Wake），側面形成船首波（Bow-wave），兩者相連的前端形成Bow-wake。
（B）雷射在電漿中傳播時，也會激發與之對應的波。在低密度電漿中，波幾乎以光速傳播，因此主要捕獲質量較輕的電子；而在中等密度的泡沫靶中，波的傳播速率降低，使質量較重的質子也能夠在前端的Bow-wake中被捕獲並加速。（圖片提供：九州大學諫山翔伍助教）
在加速器科學與醫療領域，高能離子加速器的小型化與高性能化一直是亟待解決的問題。以大型強子對撞機（LHC）為代表的傳統加速器存在要獲得更高能量，裝置體積就必須增大的問題。
在宇宙中，也會發生離子「乘波加速」的現象，由具備強電場的尾波場直接加速，這一現象作為超高能宇宙線的新型加速機制而受到關注。
如同船隻在水面行進時船後方會泛起波紋一樣，雷射在電漿中傳播時也會形成「尾波場（Wakefield）」。尾波場中會產生強電場，具有加速粒子的可能性。
但質量較輕的電子容易實現乘波加速，而質量較重的質子和離子此前無法高效加速。
本次研究中，研究團隊採用可形成密度高於常規氣體靶的電漿的泡沫靶，實現了對雷射傳播速度的調控。團隊降低了與雷射同步傳播的電漿波（即尾波場）的相速度，實現了即使幾乎靜止的質子也能被捕獲的條件，成功將質子加速至最高60MeV。
質子被電場捕獲，如同搭乘與雷射同步傳播的電漿波實現加速。這種加速機制稱為Bow-wake（船首波或弓狀波）加速。
今後，研究團隊計畫研發出先用第一路雷射對離子進行預加速，再將其注入第二路雷射產生的尾波場中實現進一步加速的兩級加速。通過給重離子加上所謂的「助跑」，有望使其搭上傳播速度更快的尾波場，加速到更高的能量水平。
未來，研究團隊將推動技術向加速逐級疊加的多級加速發展，目標是實現可產生更高能量離子束的新一代雷射驅動離子加速器。
諫山助教表示：「本次研究在實驗室中再現了與宇宙中發生的高能粒子加速共通的機制，證實了質子搭乘電漿波實現加速的原理。我們希望以此推動學界對宇宙線獲取高能量機制的理解，助力緊湊型新一代雷射驅動離子加速器的實現。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Physics
論文：Bow-wake acceleration of ions toward a relativistic regime
DOI：10.1038/s42005-026-02749-7
