対プラズマ

対プラズマ（pair plasma）とは、電子とその反粒子である陽電子がほぼ同数含まれるプラズマである。通常のプラズマではイオンの質量が電子を圧倒するため、二成分の質量比があらゆる波動や不安定の性質を左右するが、対プラズマでは電子と陽電子が質量・絶対電荷ともに等しく、系が電荷の対称性を持つ。この単純さゆえに理論的な「整理台」として古くから研究されてきた一方、実際にはパルサー磁気圏やブラックホール近傍などの極限天体環境に天然に存在し、また強レーザー場を用いた実験室生成が現在進行形の研究課題となっている。対プラズマの生成とレーザー周波数の変化を示した時空図を以下に示す。

図は、レーザー（位相面 v_p = c の斜線）が対プラズマ領域（灰色）に入射し、プラズマの生成・時間発展に応じて透過光の周波数が上昇する様子を時空図で描いたものである。経路1と経路2で位相差が一致することが示されており、生成された対プラズマの集団効果をレーザー周波数シフトとして読み取るという診断原理を表している。

定義と基本的な対称性

対プラズマを特徴づけるのは、電子と陽電子の完全な対称性である。質量が等しいため、電子とイオンからなる通常プラズマでは自明だった非対称性がすべて消える。まず、静的な電荷中性が動的にも成り立ちやすく、電子と陽電子は同じ周波数で同じように応答する。次に、通常プラズマの波動論の基礎である「イオンは重くて動かない」という近似が使えず、電子と陽電子が常に同等の役割を果たす。その結果、例えば電子・イオンプラズマでは電子とイオンが逆位相で振動する高周波モードと同位相で振動する低周波モード（イオン音波）に分かれるのに対し、対プラズマでは両種が対称に振動する単純なモード構造になる。

磁場中では、電子と陽電子がサイクロトロン運動の向きだけ異なることが新しい物理を生む。磁化した冷たい対プラズマの波動論では、陽電子の混入によって通常の磁気イオン理論（magneto-ionic theory、電離圏プラズマの電磁波伝搬理論）にはない追加の「サイクロトローンモード」が現れることが示されている。これは、同じ質量の正負電荷が同じ磁場中で互いに逆回りに回旋するため、電磁波の円偏光成分と共鳴できるチャンネルが倍になることの帰結である。また、アルフヴェン波についても対プラズマ特有の共鳴構造が研究されており、対称性が波動の分散関係を根本から書き換えることが分かる。

もう一つの帰結は流体記述の単純化と非線形応答の変化である。対プラズマでは電子流体と陽電子流体の運動量方程式が互いに鏡像となり、一般化された磁気流体接続（磁力線に凍結するという構造）が通常プラズマとは異なる形で書ける。一方で、二次の非線形応答は対称性の制約を受け、通常プラズマでは現れる非線形項が対プラズマでは消えたり形を変えたりする。この「きれいだが普通ではない」性質が、対プラズマを理論研究の基準系にしてきた。

天体物理における出現とQED対生成

対プラズマが天然に大量に存在するのは、強い重力場や磁場が光子・電場を対生成に転じる環境である。パルサー磁気圏では、表面から放射されるガンマ線光子が磁場中で対生成し、生成された電子・陽電子が磁力線に沿って加速されてパルサー放射を担う。ブラックホールやマグネター近傍では、量子電磁力学（QED）が予言する真空不安定性が関与しうる。すなわち電場がシュウィンガー限界（臨界電場 E_cr）を超えると、量子真空が自発的に電子・陽電子対を生成する。このような環境では、対生成というQED過程と、生成された対の集団運動というプラズマ過程が結合して初めて観測される放射が決まるため、両者を一つの枠組みで扱う「QEDプラズマ」の描像が天体理解の鍵となる。

実験室でこの領域に迫るには、レーザー強度が依然として E_cr に六桁足りないという壁を、高エネルギー電子ビームとの衝突で乗り越える。電子の静止系ではレーザー場が相対論的に増幅されるため、非線形性パラメータ χ（電子静止系での場の強さと E_cr の比）を 1 以上にできる。1990年代のスタンフォードE-144実験では 10^18 W/cm² のレーザーと約 50 GeV の電子ビームの衝突で陽電子生成の証拠が得られ、χ は約 0.3 であった。現在は χ ~ 1 を狙う実験が進められており、10^23 W/cm² 級レーザーと 30 GeV 級ビームを組み合わせれば χ ~ 100 となり、対生成が雪崩式に増殖するQEDカスケードが起こり、対が集団的プラズマ効果が現れる密度に達しうるとされる。

ただし実験室対プラズマには本質的な困難がある。第一に、生成された対はガンマ光子やレーザー場から高いエネルギーを与えられ、相対論的質量増加のために集団効果への寄与が抑えられる。第二に、極限的なパラメータでも生成される対プラズマの総電荷は約 100 nC 程度でマイクロン規模に分布するにすぎず、ほとんどのプラズマ不安定が成長する余地がない。第三に、対粒子はレーザーの有質力（ponderomotive force）を受けて急速に膨張し、相対論的速度で飛び去るため、プラズマとして振る舞う時間はピコ秒程度しかない。このため、高密度かつ低エネルギーの対を効率よく作る生成法（レーザー同士の衝突か、ビーム・レーザー衝突か）の選択が、集団効果を観測できるか否かを分ける。