日本九州大学研究生院综合理工学研究院的谏山翔伍助教、国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（QST）关西光量子科学研究所的福田祐仁上席研究员、大阪大学研究生院工学研究科的藏满康浩教授等人的研究团队，利用QST关西研究所的高强度激光装置“J-KAREN-P”，在全球首次证实离子尾波场加速。研究团队通过向泡沫靶照射高强度激光，来调控与激光同步传播的等离子体波的速度，成功让离子乘波并加速。这意味着研究团队在研究室中再现了与宇宙中发生的高能粒子加速相同的物理机制，该成果有望应用于粒子束癌症治疗等领域。相关研究成果已发表在期刊《Communications Physics》的8月3日刊上。
图1 （A）船只在水面前进时，后方形成尾波（Wake），侧面形成船首波（Bow-wave），两者相连的前端形成Bow-wake。
（B）激光在等离子体中传播时，也会激发与之对应的波。在低密度等离子体中，波几乎以光速传播，因此主要捕获质量较轻的电子；而在中等密度的泡沫靶中，波的传播速度降低，使质量较重的质子也能够在前端的Bow-wake中被捕获并加速。（供图：九州大学谏山翔伍助教）
在加速器科学与医疗领域，高能离子加速器的小型化与高性能化一直是亟待解决的问题。以大型强子对撞机（LHC）为代表的传统加速器存在要获得更高能量，装置体积就必须增大的问题。
在宇宙中，也会发生离子“乘波加速”的现象，由具备强电场的尾波场直接加速，这一现象作为超高能宇宙线的新型加速机制而受到关注。
如同船只在水面行进时船后方会泛起波纹一样，激光在等离子体中传播时也会形成“尾波场（Wakefield）”。尾波场中会产生强电场，具有加速粒子的可能性。
但质量较轻的电子容易实现乘波加速，而质量较重的质子和离子此前无法高效加速。
本次研究中，研究团队采用可形成密度高于常规气体靶的等离子体的泡沫靶，实现了对激光传播速度的调控。团队降低了与激光同步传播的等离子体波（即尾波场）的相速度，实现了即使几乎静止的质子也能被捕获的条件，成功将质子加速至最高60MeV。
质子被电场捕获，如同搭乘与激光同步传播的等离子体波实现加速。这种加速机制称为Bow-wake（船首波或弓状波）加速。
今后，研究团队计划研发出先用第一路激光对离子进行预加速，再将其注入第二路激光产生的尾波场中实现进一步加速的两级加速。通过给重离子加上所谓的“助跑”，有望使其搭上传播速度更快的尾波场，加速到更高的能量水平。
未来，研究团队将推动技术向加速逐级叠加的多级加速发展，目标是实现可产生更高能量离子束的新一代激光驱动离子加速器。
谏山助教表示：“本次研究在实验室中再现了与宇宙中发生的高能粒子加速共通的机制，证实了质子搭乘等离子体波实现加速的原理。我们希望以此推动学界对宇宙线获取高能量机制的理解，助力紧凑型新一代激光驱动离子加速器的实现。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Physics
论文：Bow-wake acceleration of ions toward a relativistic regime
DOI：10.1038/s42005-026-02749-7
