Collision of intermediate-energy heavy ions is an important way to investigate the state of high-density nuclear matter and formation of quark gluon plasmas. In this paper, we demonstrate from two-dimensional particle-in-cell simulations that hundreds-GeV Au79+ ions can be generated by ultrashort ∼1022–24 W cm−2 lasers interacting with high-Z grain doped gas. Under extremely intense laser field, strong γ-ray radiation has resulted in massive laser energy loss, and the invoked radiation reaction trapping of electrons weakens the heavy ion acceleration. However, due to hole-boring acceleration and multi-body expansion acceleration of high-Z grains, the energy conversion efficiency from laser to heavy ions is still up to 32%. Our results might provide an effective routine to carry out the experimental explorations of heavy-ion collisions by using hundreds-petawatt laser facilities.
中間エネルギー重イオン衝突は、高密度核物質の状態とクォーク・グルーオンプラズマの形成を研究する重要な手段である。本論文では、二次元粒子インセルシミュレーションを用いて、超高強度レーザー（～10^22–24 W cm^-2）と高Z元素ドープガスとの相互作用により、数百GeVのAu^79+イオンが生成可能であることを実証する。極めて強いレーザー場の下では、強いγ線放射により大きなレーザーエネルギー損失が生じ、それに伴う放射反応による電子の捕捉が重イオン加速を弱める。しかしながら、ホールボーリング加速と高Z元素グレインの多体膨張加速により、レーザーから重イオンへのエネルギー変換効率は依然として最大32%に達する。本研究の結果は、数百ペタワット級レーザー施設を用いた重イオン衝突の実験的探求のための有効な手法を提供する可能性がある。