Colliding of two high Mach-number plasma jets is one of the methods for generating shocks, offering valuable insights for inertial confinement fusion (ICF) and astrophysics. Especially, quantum degeneracy and kinetic effects appear when the colliding plasma jets are of high density and high Mach number, which play critical roles in the resulting dynamics. Recently, the double-cone ignition (DCI) project provides an unprecedented experimental platform for investigating the collision of plasma to explore many new physical phenomena. In this work, a theoretical analysis was conducted using the newly developed hybrid particle-in-cell (PIC) LAPINS code, covering a vast range of plasma densities and temperatures. The results reveal that electron degenerate pressure in the upstream region suppresses the growth of the downstream density. Moreover, under extremely high Mach number collisions of moderately dense plasma, a significant non-equilibrium kinetic effect, namely cross penetration, is observed, along with an anomalous decrease in the downstream density compression ratio, contrary to expectations of monotonic growth. These findings provide valuable suggestions for the baseline design of the DCI scheme and related ICF shock studies, and offer potential analogies to astrophysical processes such as white dwarf mergers and shocks in dense nebulae.
高マッハ数プラズマジェットの衝突は衝撃波を生成する方法の一つであり、慣性核融合(ICF)および天体物理学に貴重な知見を提供する。特に、衝突するプラズマジェットが高密度かつ高マッハ数である場合、量子縮退効果と運動論的効果が現れ、結果として生じる力学において重要な役割を果たす。近年、ダブルコーン点火(DCI)プロジェクトは、プラズマの衝突を調査して多くの新しい物理現象を探索するための前例のない実験プラットフォームを提供している。本研究では、新たに開発されたハイブリッド粒子インセル(PIC)コードLAPINSを用いた理論解析が、広範なプラズマ密度と温度にわたって実施された。結果は、上流領域における電子縮退圧が下流密度の成長を抑制することを明らかにする。さらに、中程度密度プラズマの極めて高いマッハ数衝突において、顕著な非平衡運動論効果、すなわちcross penetrationが観測され、それに伴い、単調増加の期待に反して下流密度圧縮比の異常な減少が見られる。これらの発見は、DCI方式のベースライン設計および関連するICF衝撃波研究に貴重な示唆を提供し、白色矮星の合体や高密度星雲中の衝撃波などの天体物理学的プロセスへの潜在的な類比をもたらす。