The self-organization is one of the most interesting phenomena in the non-equilibrium complex system, generating ordered structures of different sizes and durations. In tokamak plasmas, various self-organized phenomena have been reported, and two of them, coexisting in the near-marginal (interaction dominant) regime, are avalanches and the E × B staircase. Avalanches mean the ballistic flux propagation event through successive interactions as it propagates, and the E × B staircase means a globally ordered pattern of self-organized zonal flow layers. Various models have been suggested to understand their characteristics and relation, but experimental researches have been mostly limited to the demonstration of their existence. Here we report detailed analyses of their dynamics and statistics and explain their relation. Avalanches influence the formation and the width distribution of the E × B staircase, while the E × B staircase confines avalanches within its mesoscopic width until dissipated or penetrated. Our perspective to consider them the self-organization phenomena enhances our fundamental understanding of them as well as links our findings with the self-organization of mesoscopic structures in various complex systems.
自己組織化は、非平衡複雑系における最も興味深い現象の一つであり、異なるサイズと持続時間を持つ秩序構造を生成する。トカマクプラズマでは、様々な自己組織化現象が報告されており、そのうちの二つ、限界近傍（相互作用支配）領域で共存するものは、アバランシェとE × B階段構造である。アバランシェとは、伝播するにつれて連続的な相互作用を通じた弾道的フラックス伝播事象を意味し、E × B階段構造とは、自己組織化された帯状流層の大域的秩序パターンを意味する。それらの特性と関係を理解するために様々なモデルが提案されてきたが、実験的研究はほとんどその存在の実証に限られていた。ここでは、それらのダイナミクスと統計の詳細な解析を報告し、それらの関係を説明する。アバランシェはE × B階段構造の形成と幅分布に影響を与える一方、E × B階段構造は、散逸するか貫通するまでアバランシェをそのメソスコピックな幅の中に閉じ込める。それらを自己組織化現象とみなす我々の視点は、それらについての基礎的理解を深めるだけでなく、我々の発見を様々な複雑系におけるメソスコピック構造の自己組織化と結び付けるものである。