The transport of a laser-accelerated intense proton beam through a well-characterized dense plasma () was experimentally studied. The plasma was produced by irradiating a foam target () with soft x-ray radiation from a laser-driven hohlraum. A symmetric setup allowed part of the proton bunch to propagate through the plasma, while the other part passed through an adjacent empty channel without target material. This enabled us to do in a single laser shot a comparison of the beam properties with and without plasma interaction while also mitigating shot-to-shot fluctuations. Measurements revealed a transformation of the initially flat beam profile into a halo structure after plasma traversal. Particle-in-cell simulations attribute this effect to magnetic fields generated at the plasma boundary, where the beam exhibits a sharp edge due to collimation by the target holder. These results constitute direct experimental evidence for self-modulation instability of an intense proton bunch in dense plasma. This work has implications for high-energy-density physics and fast ignition scenarios, where controlled proton beam transport in dense plasmas is critical. The presented method also provides a platform for systematic investigations of beam–plasma interactions across wider parameter ranges.
レーザー加速された高強度陽子ビームの、十分に特性評価された高密度プラズマ（）中での輸送を実験的に研究した。このプラズマは、レーザー駆動ホーラムからの軟X線放射によって発泡ターゲット（）を照射して生成された。対称的な配置により、陽子バンチの一部はプラズマ中を伝搬し、他方の一部はターゲット材料のない隣接する空のチャネルを通過した。これにより、単一レーザーショット内で、プラズマ相互作用の有無によるビーム特性の比較が可能となり、ショット間変動も軽減された。測定により、プラズマ通過後、当初平坦なビームプロファイルがハロー構造へと変化することが明らかになった。粒子インセルシミュレーションはこの効果を、ビームがターゲットホルダーによるコリメーションのために鋭いエッジを示すプラズマ境界で生成される磁場に帰する。これらの結果は、高密度プラズマ中での高強度陽子バンチの自己変調不安定性の直接的な実験的証拠を構成する。この研究は、高エネルギー密度物理や高速点火シナリオにおいて、高密度プラズマ中での制御された陽子ビーム輸送が重要であることに対して意義を持つ。提示された方法はまた、より広いパラメータ範囲にわたるビーム–プラズマ相互作用の体系的な調査のためのプラットフォームを提供する。