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。

波動モードと磁化対プラズマ物理

対プラズマの線形波動論は、通常プラズマとの対比で理解するのが最も明快である。非磁化の対プラズマでは、電子プラズマ波に対応する縦波が一つあるだけで、イオン音波は存在しない。磁場を加えると、前述の追加サイクロトローンモードに加え、アルフヴェン波の性質が変わる。対プラズマでは電子と陽電子が同じ慣性を持ち合うため、アルフヴェン速度の式が通常プラズマとは異なり、また温度異方性がアルフヴェン波の位相速度を変化させることが粒子シミュレーションで示されている。背景磁場が弱い場合は熱異方性が非伝播的な磁気構造を成長させるが、中程度の磁場では熱異方性が対アルフヴェンモードに結合して伝播する磁気波が成長し、磁場がミラーモードを安定化する値に達すると成長が抑えられる。

相対論的対プラズマでは、波動の分散関係に相対論的質量が入り込むため、縦波のランダウ減衰も相対論的に再定式化される必要がある。また、大振幅の電磁波の伝搬では、円偏光電磁波のパラメトリック減衰や、傾斜伝搬する大振幅電磁ソリトンの存在など、非線形波動の話題が理論的に豊かに研究されてきた。対プラズマの対称性ゆえに解析的扱いがしやすく、通常プラズマでは混み合った分散関係が整理された形で書けることが、これらの理論研究を促してきた。電子・陽電子・イオンの三成分系（対プラズマに少量のイオンが混ざった系）も、天体環境との対応から盛んに研究されており、イオンの混入比が波動モードの構造を連続的に変化させることが知られている。

不安定と非線形構造

対プラズマの不安定論で中心的な役割を果たすのは、ウィーベル不安定（フィラメンテーション不安定）とティアリング（磁気リコネクション）である。ウィーベル不安定は、速度分布に異方性（例えば逆向きに流れる二つのビーム）があるとき、磁場の擾乱が電流を集束させて成長する非伝播的な電磁不安定である。逆向きに流れる対プラズマの衝突では、この不安定が磁場を生成し、電磁衝撃波の形成につながることが示されている。生成された磁場と電流が整列し力の釣り合った（force-free）構造へ向かう過程、背景磁場がその安定化に達するのを妨げたり逆に伝播する磁気波の種をまいたりする様子は、粒子シミュレーションで詳しく調べられている。また、電子・陽電子ビームと電子・陽電子プラズマの混合系では、フィラメンテーション不安定による陽電子の選択的加速が起こりうる。

磁気リコネクションにおいても対プラズマは特別な位置にある。リコネクションの速度論は通常、電子とイオンの質量比で決まるスケール階層に支配されるが、対プラズマではその階層が消え、単純で対称な構造になる。相対論的対プラズマのリコネクションでは、ジェット先端でウィーベル不安定が果たす役割が調べられており、衝突レスクラッシュにおける垂直磁場の密度ジャンプ（ランキン・ユゴニオ関係の対プラズマ版）も解析されている。これらの研究は、対プラズマがリコネクションや衝撃波の「最も単純な理論実験場」であることを示している。

非線形構造については、電磁ソリトンや電磁渦（vortex）、変調不安定とその包絡波（エンベロープ励起）などが理論・シミュレーションで研究されてきた。フェルミ・ディラック統計に従う縮退対プラズマ中の非線形イオン波や、相対論的温度での二次元二重単純波といった題材もあり、対プラズマの非線形波動物理は統計性質や相対論的効果と組み合わせて広く探られている。

対プラズマの実験室生成と診断

実験室で対プラズマを作る道は大きく二つある。一つは高強度レーザーを固体標的に打ち込む方法で、標的表面で起こる電子・陽電子対生成を利用する。相対論的透明化の領域では対生成が増強されることが示されており、レーザー出力の向上とともに生成量が増えている。もう一つは前述のQEDカスケードを利用する方法で、強レーザーと高エネルギー電子ビームの衝突によって対を雪崩式に増殖させる。後者の利点は、対を高密度かつ低エネルギーで作れる点にあり、集団的プラズマ効果の発現には生成密度だけでなく対の温度（相対論的質量）が決定的であるため、この点が重要になる。

診断の鍵となるのは、生成された対プラズマが本当に「プラズマ」として振る舞っている（集団効果が個別粒子の効果を上回っている）ことを示す証拠を得ることである。有望視されている手法が、レーザー周波数シフトの利用である。透過したレーザーの周波数上昇はプラズマ周波数の変化のみで決まり、生成された対の密度の時間発展を直接的かつ頑健に読み取れる。冒頭の時空図が示すように、レーザーの位相面が時間変化するプラズマ領域を横切るとき、その位相のずれが周波数シフトとして現れる。磁化した相対論的電子の閉じ込め（磁気ミラー）を経由して磁化相対論対プラズマへ至るという提案もあり、生成・閉じ込め・診断の三つがそろって初めて、天体で想定される対プラズマの集団物理を実験室で検証できる段階に入りつつある。