ユニット構築会議／学術実験プラットフォーム検討会議（第 16 回） 議事録(案)⽇時：2021 年 8 ⽉ 2 ⽇（⽉） 13:15-13:45
場所：オンライン
書記：濱⼝
議事：
・お知らせ
・研究テーマ紹介
・磁気圏プラズマにおけるサイクロトロン共鳴と⾮線形波動粒⼦相互作⽤（加藤雄⼈／東北⼤学）
・プラットフォームに関する話題提供
次回予定（2021 年 8 ⽉ 23 ⽇（⽉） 13:15-15:15）

お知らせ・ユニット構築会議は来週と再来週（8 ⽉ 9 ⽇と 8 ⽉ 16 ⽇）は開催しない。
・ユニット構築セミナーは次回未定
・現在、ユニットテーマが提案され、レビューを順次開始している。
・コミュニティからのテーマ提案を引き続き募集している。核融合研の web ページから様式をダウンロードでき、説明も書いてある。
・所外の先⽣は核融合研のユニットに関して様々な⽴場で関わることができる。ユニットに深く関わる場合、共同研究として、またコミュニティのメンバーとしての研究提案など。いずれでも構わないので是⾮今後もユニットテーマ提案をお願いしたい。
研究テーマ紹介〇磁気圏プラズマにおけるサイクロトロン共鳴と⾮線形波動粒⼦相互作⽤（加藤雄⼈／東北⼤学）（居⽥）ホールの説明のところでωとΔωについて説明して欲しい。
（加藤）あるコヒーレントな波が存在するという状況からスタートしている。インプットとして与える波が周波数ωを持っている。それによって粒⼦が捕捉される。ダイポール磁場中の運動によってトラップされた粒⼦が密度速度分布関数のフラックスの⼩さい所にガイドされると相対的に周りのプラズマが少なくなるのでヒルを作る。つまり速度空間上に⼭を作る。この場合、このような粒⼦は周波数が時間的に減少する波を作るということが理論的に⽰されていて、観測でも確かに対応が⾒れる。逆に+Δωの⽅は周波数が時間的に上昇する成分を作る議論に適⽤される。コーラス放射のようなライジングトーンは位相空間上で特定の相対速度のところにできるホールが重要だということを⽰した図になっている。
（居⽥）特定の粒⼦においては等価的にレゾナンス周波数が変わったようになるという意味か？
（加藤）最初に⼊れた波と異なる周波数を持つ成分をどんどん作っていくということである。
（居⽥）エネルギーの直接計測のところは粒⼦のキネティックエナジーと波のエネルギーの差を直接測るということか？
（加藤）瞬時瞬時の波の電場ベクトルとそのときに検出された粒⼦の速度ベクトルの内積を取っている。これはそのまま運動エネルギーの時間変化に対応しているので、これが負であるということは粒⼦が波によって減速されてエネルギーを失うということである。
（居⽥）t1, t2, t3 のところでおのおのの波形と粒⼦の変化をみるということか？

（加藤）その通りである。
（居⽥）波⾃⾝は定常的な波になっているということはないか。例えば時間平均するとアンプリチュードとしては⼀定ということはないか？
（加藤）W が負となる場合は波形が時間的に増幅していくので、観測的に波形を押さえながら瞬間瞬間の粒⼦と⽐較してやるとエネルギー交換量が測れるのではないかと考えている。
（居⽥）ここでいう⾮線形とは、どういう⾮線形現象のことか？
（加藤）波による捕捉が起こるどうか。共鳴条件を厳密に満たす粒⼦だけでなく、共鳴条件から少し外れた粒⼦でもある程度振幅の⼤きな波であれば捕捉領域に捉えられるということで、その点をここでは⾮線形と⾔っている。
（藤堂）ホールとヒルの構造について核融合でも同じような構造を研究している。以前の研究会では、印象として地球磁気圏の理論は地球の磁場にトラップされた粒⼦に特化したモデルと感じたが、今⽇の話を聞いてほとんど同じような理論モデルと理解した。何か違いはあるか？
（加藤）基本になるのはダイポール型の背景磁場の中にトラップされた粒⼦がコヒーレントな波動によって分布関数の変調を受けるということなので、ここでの議論はベースとして確かに磁気圏型のダイポール磁場に捉えられた粒⼦と波動との相互作⽤にある。議論している内容としては背景磁場勾配が⾮常に緩やかか無い状況でもトラッピングの影響と周波数変化が起きるのではないかという研究もあって、これも含めて議論できればと思っている。
（藤堂）縞状の構造は波動のポテンシャルを書いているのか？
（加藤）位相空間での粒⼦の軌道を描いている。波動磁場成分のローレンツ⼒によるトラッピングなので、そうである。
（藤堂）波動が無いと⽔平な直線構造と思うが？
（加藤）⼀様磁場だと⽔平⽅向に動くだけだが、背景磁場のミラーフォースがあれば縦軸⽅向に動く。そこに波が⼊ることでこの⽬⽟のような構造ができる。
（藤堂）基本的に同じことを研究していると理解している。
（伊神）コヒーレント波動による電⼦の捕捉というところで、ホイッスラー波は磁場に対して平⾏に伝搬するというのが基本と認識している。我々の電⼦サイクロトロン共鳴加熱の場合、磁場に対してまず垂直に⼊射するのが基本で、ある程度斜めにやる。仰るように斜めに伝搬するような波だとしても⼀部はホイッスラー応答に近いものがあると思うが、そのような場合でも磁場に対して完全に平⾏ではなく斜めに伝搬するような波に対して電⼦がトラップされる可能性はあるか？
（加藤）実際、磁気圏の観測でも⾚道付近では平⾏伝搬の成分が発⽣するが、すぐにどんどん斜め伝搬になっていくことが⽰されている。その場合は⾼次のサイクロトロン共鳴やランドー型の共鳴が起きるとされていて、むしろランドー型の共鳴が電⼦の加熱に重要だというグループもある。斜め伝搬は磁気圏でも⾮常によく⾒られる現象である。
（伊神）平⾏伝搬とか斜め伝搬とか、⾃然界では伝搬の⽅向はどのように決まるのか？
（加藤）まさに私もそこを知りたい。観測的に⾒ると磁気⾚道で波を発⽣するタイミングではホイッスラーモード、イオンサイクロトロン波といずれも平⾏伝搬が卓越すると考えている。ただ、伝搬していくと磁⼒線がどんどん曲がっていくというところとプラズマ密度の空間分布も関係してどんどん斜め伝搬になっていくという様⼦が観測されていて、プラズマの分布や磁場の形状が波の伝搬特性に⼤きく影響を及ぼしていると考えている。
（伊神）⽣まれるソースがあって、そこで発⽣したものが伝搬していく途中でパラメータがどんどん変化し、分散も変わって、磁場に対する⾓度が変わっていくという理解でよいか？
（加藤）その通りである。
（永岡）実験室では観測されるものは⾮線形飽和した状態で、うまくすると線形フェーズが⾒えることもあるが、磁気圏では線形成⻑しているフェーズから⾮線形飽和していくところまでの両⽅の状態を観測できる状況にあるのか？
（加藤）パラメータにもよるが地球磁気圏⾚道域だと線形成⻑のタイムスケールが観測の時間分解能より短いので、観測されているものは既に飽和状態になっているか⾮線形段階に⾄ったものを⾒ているという⾵に考えている。線形成⻑の時間スケールが⼤体ジャイロ周期の数百倍から数千倍ぐらいで 1 秒以下のオーダーである。粒⼦計測の場合は衛星観測だと分布関数をしっかり 3 次元で取ろうと思うと、スピン衛星ではスピン周期 8 秒であり細かく⾒ても 1 秒のオーダーなので、線形成⻑の過程を観測するのは難しいと思う。
（補⾜：波動観測の場合は⼗分な時間分解能が実現できているので原理的には可能ですが、1 点観測では時間変化と空間変化を分離できないので、成⻑段階をみているのか伝播過程を⾒ているのか判別することができません）（永岡）イオンサイクロトロンに関しても難しいか。
（加藤）はい。まず 1 点観測だと難しい。MMS 衛星は 4 点観測で、位置の違いから振幅の変化を⾒ようとしているが、イオンサイクロトロン波動は衛星間距離に⽐べると波⻑がだいぶ⻑く、衛星間の距離だと 1 点と思っていいくらいになってしまって観測できない。ホイッスラーモードだと少し波⻑が⼩さくなるので、もしかしたら成⻑する様⼦が⾒えるかもしれない。ホイッスラーモードに関する研究は今進みつつあるところで、観測できると⼤変⾯⽩いと思うが、地球磁気圏プラズマで線形段階の成⻑を捉えるというのはこれからだと思う
プラットフォームに関する話題提供
・プラットフォームの紹介は 2 週間空けた後も続ける予定なので積極的に検討をお願いしたい。
以上