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乳幼児期の呼吸器感染症にみられる病原体干渉の解明：ベトナム中南部出生コホート研究

乳幼児期の呼吸器感染症は、もっとも発生頻度が高い小児の疾患であり、その主な病原体として複数種類の細菌、約20種類のウイルスが関与していることが知られる。これまでの研究により、個々の病原体の病原性とその特性の違いについては知見が蓄積されつつあるが、複数の呼吸器病原体の相互干渉については、その現象の存在、メカニズムについて解明されていない。本研究では、研究代表者および研究分担者のグループがベトナム中部都市ニャチャン市で実施している出生コホート及び小児呼吸器感染症サーベイランスのシステムを活用し、呼吸器感染症患者コホートを構築した。前年度までに1941人の2歳未満小児の呼吸器感染症コホートを5年間追跡した研究を行った。その結果、6か月未満にウイルス性呼吸器感染症で入院すると、非ウイルス性呼吸器感染症に対して1.6倍、呼吸器感染症による再入院のリスクが上昇することが明らかとなった。特にアデノウイルス(4.6倍)、ヒトメタニューモウイルス(20.4倍)、ライノウイルス(1.6倍)が再入院リスクと強く関係していた。一方で、6か月以降の感染については、再入院リスクとの関係は確認されなかった。最終年度は以上の結果をもとに、現在、開発中の呼吸器ウイルスワクチンの将来的な導入を想定して、2歳未満小児に新規呼吸器ウイルスワクチンを導入した際のインパクトを簡便なモデルを用いてシミュレーションを行った。その結果、たとえワクチン効果が年齢によって変化しないと仮定しても、ワクチンの接種時期が小児呼吸器感染症の疾病負荷に与えるインパクトは大きいことが判明した。乳幼児期の呼吸器感染症は、もっとも発生頻度が高い疾患であり、数種類の細菌、約20種類のウイルスが関与する。しかし、複数の呼吸器病原体の相互干渉については解明されていない。本研究では、ベトナム中部都市で行われている大規模住民コホート、サーベイランスシステムを活用して、500人の新生児を登録し、呼吸器感染症の発生を出生から生後2歳まで追跡する。これにより、乳幼児期にある呼吸器病原体に感染することが、異なる呼吸器病原体に感染するリスクを変化させるかどうかを明らかにする。さらに、感染症数理モデルを用いて、呼吸器病原体ごとにみられる季節変動が相互干渉するメカニズムを解明する。これにより、乳幼児の呼吸器感染症の伝播と発症のメカニズムを明らかにし、ワクチン戦略を含む小児保健政策に貢献することを目指す。平成27年度は、研究代表者及び研究分担者のグループがベトナム・ニャチャン市で実施している出生コホートおよび小児呼吸器感染症サーベイランスのシステムに、本研究を組み込む作業を行った。出生コホートに登録された小児のデータを呼吸器感染症サーベイランスのデータとリンクし、登録小児が当該地域に現在も在住しているかどうかを確認するための訪問調査および電話調査を行った。また本研究専用のデータベースの構築を行った。また、小児肺炎を定義するために、胸部レントゲン写真の再読影を行う必要があるため、WHOのマニュアルに従って読影の標準化作業を行った。現時点で、当初の研究計画通りに進んでいる。当初の計画を修正し、平成27年度には、研究代表者及び研究分担者のグループがベトナム・ニャチャン市で実施している出生コホートおよび小児呼吸器感染症サーベイランスのシステムに、本研究を組み込む作業を行った。その結果、1941人の2歳未満小児のコホートデータベースが完成した。このデータを解析した結果、6か月未満にウイルス性呼吸器感染症で入院すると、非ウイルス性呼吸器感染症に対して、1.6倍、呼吸器感染症による再入院のリスクが上昇することが明らかとなった。特にアデノウイルス、ヒトメタニューモウイルス、ライノウイルスが再入院リスクと強く関係していた。この結果は、現在論文として作成中である。研究デザインを出生コホートから呼吸器感染症入院小児のコホートへ変更したが、研究目的については変更はない。十分なサンプルサイズが確保され、データ解析の結果、想定されたウイルス干渉現象を確認することができた。1941人の2歳未満小児の呼吸器感染症コホートを5年間追跡した。

登録時点で1254人(65%)が少なくとも1種類の呼吸器ウイルスに感染しており、最も多いウイルスはライノウイルスであった。6か月未満にウイルス性呼吸器感染症で入院すると、非ウイルス性呼吸器感染症に対して1.6倍、呼吸器感染症による再入院のリスクが上昇することが明らかとなった。特にアデノウイルス(4.6倍)、ヒトメタニューモウイルス(20.4倍)、ライノウイルス(1.6倍)が再入院リスクと強く関係していた。一方で、6か月以降の感染については、再入院リスクとの関係は確認されなかった。本研究の結果は、今後の小児呼吸器感染症ワクチン戦略を考えるうえで重要な知見である。現在開発中のRSウイルス、ヒトメタニューモウイルスなどに対するワクチンの効果については、多元的な評価が必要であることを示唆している。当初の研究計画どおり、コホートを構築し、目的とした呼吸器ウイルス感染症の相互干渉について知見を確立することができた。しかし、収集したデータの解析と論文の作成に手間取ったため、総合的にやや遅れていると評価した。乳幼児期の呼吸器感染症は、もっとも発生頻度が高い小児の疾患であり、その主な病原体として複数種類の細菌、約20種類のウイルスが関与していることが知られる。これまでの研究により、個々の病原体の病原性とその特性の違いについては知見が蓄積されつつあるが、複数の呼吸器病原体の相互干渉については、その現象の存在、メカニズムについて解明されていない。本研究では、研究代表者および研究分担者のグループがベトナム中部都市ニャチャン市で実施している出生コホート及び小児呼吸器感染症サーベイランスのシステムを活用し、呼吸器感染症患者コホートを構築した。前年度までに1941人の2歳未満小児の呼吸器感染症コホートを5年間追跡した研究を行った。その結果、6か月未満にウイルス性呼吸器感染症で入院すると、非ウイルス性呼吸器感染症に対して1.6倍、呼吸器感染症による再入院のリスクが上昇することが明らかとなった。最終年度は以上の結果をもとに、現在、開発中の呼吸器ウイルスワクチンの将来的な導入を想定して、2歳未満小児に新規呼吸器ウイルスワクチンを導入した際のインパクトを簡便なモデルを用いてシミュレーションを行った。その結果、たとえワクチン効果が年齢によって変化しないと仮定しても、ワクチンの接種時期が小児呼吸器感染症の疾病負荷に与えるインパクトは大きいことが判明した。平成28年度は、収集したサンプルのウイルス学的検査を行い、臨床データと微生物学的データをすべてそろえる計画である。これによってコホートのデータベースを確立し、統計学的な解析を行う予定である。平成29年度は、現在作成中のウイルス干渉に関する論文を完成させ、投稿する予定である。
非線形最適化法による最短時間制御則の実時間設計に関する研究

1.入力飽和が存在する系に対し,非線形コントローラによるフィードバック系を用いて逆システムを構成すると,逆システムの出力からbang-bang型切り替え入力が生成されることを見出した.これを,オフラインの非線形最適化による最短時間制御系設計法により設計された入力信号と比較した結果,ほぼ同等の入力を得ることができた.これは,ある種オンラインで準最短時間制御則を設計する方法と考えることができる.2.初期状態としてある空間を考え,空間内の各初期状態量から出発した軌道が終端状態量に到達する時間をカラーマップにて表示することで,最短時間性の解析を行った.逆システムを利用した準最短時間制御系設計法においては,初期状態量と到達時間,コントローラパラメータと到達時間の間にフラクタル特性が見出された.従って,初期状態量とコントローラパラメータの最適な組み合わせにより,制御性能が向上する可能性が示された.3.制御系設計の実時間設計を目指し,Field Programmable Gate Arrayデバイスを利用した,制御系設計アルゴリズムの検討・検証を行った.また,デバイスの構造・特性を念頭においた最適化アルゴリズムを検討し,実機実装のために必要とされる補助関数の製作を行った.現在,アルゴリズムを実機に実装し,検証を行っている.H14年度は,基礎理論の構築および検証を行った.従来,最短時間制御はオフラインで最適入力を計算し,その入力を実対象へ印加するといった手段が一般的であったが,本研究では逆システムに着目し,オンラインで最適入力を設計する方法を与えた.逆システムを利用した最短時間制御のアルゴリズムは以下の考察から導かれる.(1)逆システムが構成可能ならば,与えられた目標信号とシステムの出力信号を一致させる,フィードフォワード的な入力を生成することができる.(2)最短時間制御問題はシステムの入力に飽和制限がある場合に定式化される.(3)入力飽和が存在するシステムに対する逆システムを構成すると,生成された入力は最短時間入力となっている可能性がある.特に(3)において,(a)入力飽和が存在するシステムに対する逆システムの構成法(b)逆システムにより生成された入力が最短時間となるかどうかの検証の2点が問題となる.(a)については非線形システムに対する状態依存型最適制御入力設計法を応用することで解決を図った.この方法では実システムの正確な数学モデルを構築する必要があり,本年度前半は数学モデルの構築法(同定法)の研究に専念した.その成果を雑誌論文へ投稿し,採録された(次頁参照).(b)については,本手法を2リンク型ロボットマニピュレータの最短時間制御に適用し,シミュレーションおよび実験により数値的な検証を行った.その結果,ある条件下では最短時間制御入力が生成されることが実験的に判明した.そこで,より理論的・解析的な検証を行い,オンラインで最短時間制御入力が設計できる条件を明示的に与える研究を行う必要があると考えられる.1.入力飽和が存在する系に対し,非線形コントローラによるフィードバック系を用いて逆システムを構成すると,逆システムの出力からbang-bang型切り替え入力が生成されることを見出した.これを,オフラインの非線形最適化による最短時間制御系設計法により設計された入力信号と比較した結果,ほぼ同等の入力を得ることができた.これは,ある種オンラインで準最短時間制御則を設計する方法と考えることができる.2.初期状態としてある空間を考え,空間内の各初期状態量から出発した軌道が終端状態量に到達する時間をカラーマップにて表示することで,最短時間性の解析を行った.逆システムを利用した準最短時間制御系設計法においては,初期状態量と到達時間,コントローラパラメータと到達時間の間にフラクタル特性が見出された.従って,初期状態量とコントローラパラメータの最適な組み合わせにより,制御性能が向上する可能性が示された.3.制御系設計の実時間設計を目指し,Field Programmable Gate Arrayデバイスを利用した,制御系設計アルゴリズムの検討・検証を行った.また,デバイスの構造・特性を念頭においた最適化アルゴリズムを検討し,実機実装のために必要とされる補助関数の製作を行った.現在,アルゴリズムを実機に実装し,検証を行っている.
後期白亜紀沖合性アンモナイト類の適応戦略

上部白亜系セノマニアン階より産するデスモセラス属アンモナイト類およびチューロニアン階より産するトラゴデスモセロイデス属アンモナイト類について,北海道の小平地方および大夕張地方を中心として,層序学的調査を行ないながら多数の標本を得た.これらの標本の正中断面または縦断面を作製し,形態を決定する形質について相対成長解析を実施し,個体群の概念に立脚し生物統計学的処理を経て,各地でのクロノクラインを明らかにした.地理的変異は大きくなく,種の分布の主要域から試料を得ているので,これらのクラインが概ね形態進化の主要な特徴を示していると判断した.以上のデータから,トラゴデスモセロイデス・サブコスタータスは,デスモセラス・ジャポニカムから,殆んど表面装飾の変化を生じるだけで系統進化したと判断した.また,その種分化はセノマニアン・チューロニアン境界の限られた時間内に完了した.種分化に至るまでのデスモセラス・ジャポニカムの形態進化はホメオスタシスを示し,彷徨以上の変異は生じなかった.トラゴデスモセロイデス・サブコスタータスは,従来1種と考えられていたが,今回,チューロニアン中期に,浅海生の個体群に種分化が生じ,結局2種となったことを明らかにした.これは住み分けによる種分化と考えられる.尚,トラゴデスモセロイデス属の2種も,その存続期間を通じて形態進化はホメオスタシスを示す.以上により,沖合性アンモナイト類は,形態は長期にわたって安定で,種分化は系統的種分化も地理的種分化も,地質学的に瞬時であり,地理的種分化は浅海域の個体群との間に生じたと結論される.尚これらに加えて,セノマニアン階のイノセラムス類6種をあらたに記載し,鞘形類1新科・新属・新種について,その大要を明らかにした.上部白亜系セノマニアン階より産するデスモセラス属アンモナイト類およびチューロニアン階より産するトラゴデスモセロイデス属アンモナイト類について,北海道の小平地方および大夕張地方を中心として,層序学的調査を行ないながら多数の標本を得た.これらの標本の正中断面または縦断面を作製し,形態を決定する形質について相対成長解析を実施し,個体群の概念に立脚し生物統計学的処理を経て,各地でのクロノクラインを明らかにした.地理的変異は大きくなく,種の分布の主要域から試料を得ているので,これらのクラインが概ね形態進化の主要な特徴を示していると判断した.以上のデータから,トラゴデスモセロイデス・サブコスタータスは,デスモセラス・ジャポニカムから,殆んど表面装飾の変化を生じるだけで系統進化したと判断した.また,その種分化はセノマニアン・チューロニアン境界の限られた時間内に完了した.種分化に至るまでのデスモセラス・ジャポニカムの形態進化はホメオスタシスを示し,彷徨以上の変異は生じなかった.トラゴデスモセロイデス・サブコスタータスは,従来1種と考えられていたが,今回,チューロニアン中期に,浅海生の個体群に種分化が生じ,結局2種となったことを明らかにした.これは住み分けによる種分化と考えられる.尚,トラゴデスモセロイデス属の2種も,その存続期間を通じて形態進化はホメオスタシスを示す.以上により,沖合性アンモナイト類は,形態は長期にわたって安定で,種分化は系統的種分化も地理的種分化も,地質学的に瞬時であり,地理的種分化は浅海域の個体群との間に生じたと結論される.尚これらに加えて,セノマニアン階のイノセラムス類6種をあらたに記載し,鞘形類1新科・新属・新種について,その大要を明らかにした.後期白亜紀の沖合性アンモナイト類としては、リトセラス亜目,フィロセラス亜目およびアンモナイト亜目のうちデスモセラス科のメンバーが代表的である。本研究では、これらのうちまず、リトセラス亜目のゴードリセラス属についてデータを整理し、先にHIRANO(1978)で述べたvar.denseplicatum,var.tenuiliratum,var.intermediumの3型に加えて、var.striatumも同種多型である可能性を示唆した。次いで、アンモナイト亜目のデスモセラス科デスモセラス属およびトラゴデスモセロイデス属について、形態進化および種分化に関して、生物統計学的手法により新知見を得た。すなわち、デスモセラス属のDesmoceras(Pseudouhligella)japonicumは後期白亜紀セノマニアン期を通じて存続し、この間主要形質(螺環半径・螺環幅・螺環内側部半径の回転角に対する成長率,胚殻径,単純比で幅:高さ・内側直径:外側直径,表面装飾)はホメオスタシスを示す。そして、セノマニアン/チューロニアン境界時に、殻表肋が顕著になることにより、中間型を経ずにragodesmoceroides subcostatusに進化した。T.subcostatusもチューロニアン期を通じて存在し、前述の主要形質に変化がなく、ホメオスタシスを示している。ところが、チューロニアン期中期のHobetsensis帯で、螺環半径の回転角に対する成長率が有意に減小し、成体サイズのより小さい一群が、それまでのT.subcostatusより相対的に浅海域に出現する。在来種とこの新型は完全に異地性であり、上述の主要形質の違いと併せ、浅海域への棲み分けにより種分化したと判断される。

以上より、沖合性アンモナイト類は、その主要形態についてホメオスタシスを示し、種分化は急速で、浅海域への侵入という形で分枝し、その際の種分化も極めて急速になされたという特徴が示された。
吸入麻酔薬の末梢動静脈短絡への影響

直径9μのmicrosphereを左心房内に注入し、それが血流によって生体内各臓器に分布、捕捉されることによって各臓器の毛細血管血流量を測定した。吸入麻酔薬エンフルレンの吸入濃度を0.75、1.5MACと上昇させることによって一般に臓器血流量は低下し、甲状腺、左・右心室壁、肝、脾、膵、腎、副腎、小腸で著明であった。しかしイソフルレンの同一MAC吸入時には肝、脾、膵、小腸で有意の低下を示したが、一般に臓器毛細管血流量の低下は少なく、脳ではむしろ上昇した。この変化は吸入ガス濃度上昇に伴う心係数の低下度に比例していた。すなわちエンフルレン麻酔では0.75、1.5MACになるに従い、心係数は3.9から2.7、2.2l/min・m^2と、イソフルレンでは3.4から3.2、2.6l/min・m^2と変化した。そして同時に測定した左心房圧、動脈血圧の変化からエンフルレンでは心筋収縮力の低下が、イソフルレンでは末梢血管拡張が麻酔中著明になることがみとめられた。一方、実測可能であった脳、腎、門脈灌流臓器、骨格筋(大腿筋群)における動静脈シャント量はエンフルレン麻酔下で脳、腎、門脈灌流臓器において減少(腎においては著明)、骨格筋で不変、全身平均としても不変であった。しかしイソフルレン麻酔においては腎、門脈灌流臓器において不変、脳、骨格筋、そして全身平均としても増加傾向を示した。以上の結果からイソフルレンはエンフルレンに比して同一MACの麻酔下で全身的によく循環機能を維持するが、それがそのまま直接臓器への栄養血流増加とならず、いわゆる贅沢灌流(luxury perfusion)に終わることを示した。
中世アンダルシ-ア地方都市セビ-リャ研究

13世紀のセビ-リャの全体像を把握するため,以下の3点に関して研究を行なった。1.地域ー(1)市域(囲壁内区域と郊外区)に関しては,小教区の区分を確定し,(2)周域(市の裁判権の及ぶ範囲)については,その境界を確定し,その変化と内部での領主所領(教会領・世俗貴族領)の形成を,1284年(アルフォンソ10世治世末年)まで明らかにした。2.再植民ーセビ-リャの人口を,入植したキリスト教徒,残留したイスラム教徒(ムデハル),ユダヤ人に分けて検討した。反乱後のムデハル追放は農村部を中心に人口減少を招き,経済危機(物価騰貴),外敵(北アフリカのイスラム教徒)の侵入を原因とする入植者の帰郷がこれに拍車をかけ,再植民の危機が到来したことを確認した。3.土地所有ーレパルティミエント(征服地の分配)によって大土地所有が生まれたとする学説が有力であったが,史料を具体的に分析して数字を出してみると,大土地所有がさほど卓越しているとは言えない(土地全体の12.40%)。また大土地所有経営の実態も種々の原因から劣悪であり,行き詰まった地主は土地の売却・贈与・放棄を余儀なくされた。中小土地所有者の状況も似ており,やはり土地を放棄・売却して帰郷する者が多かった。こうして放棄・売却された土地の特定の人々への集積によって大土地所有が生まれた。従ってレパルティミエントそのものではなく,むしろその破綻が大土地所有形成の原因であり,時期的にも13世紀中葉ではなく,末に始まったと見るべきである。以上の成果を通して見た13世紀のセビ-リャは,イスラム支配からキリスト教徒支配へと移行したものの,まだ充分に安定を見るに至っていない過渡的な混乱の時代であったと特徴づけられよう。本年度は、13世紀の中世都市セビ-リャの全体像を把握することを目的として、以下の研究を行なった。1.セビ-リャ市史展開の舞台となる地理的範囲を画定するため、これを、(1)市域と(2)周域とに分け、(1)を更に囲壁内区域(小教区に分割される)と郊外区とに分けて概観し、(2)については1253年の2点の文書によって形成された周域を地図上に示し、その後の周域の変容について、これを外縁部(如何なる地域と隣接し、それが如何に変化していったか)と内部(王領たる周域内部に、セビ-リャ司教座聖堂、騎士団、俗人を領主とする領主領が如何に形成されていったか)とに分けて、1284年の時点までに限って明らかにした。これらについては事実の列挙に尽きると予想されたが、実際には個々の事実に関して解明すべき点が残されていることが確認された。2.13世紀セビ-リャ市史の重要問題である再植民(レポブラシオン)について、これに関する史料を列挙し、これに基づいて再植民人口を、まず(1)キリスト教徒について、市と周域とに分けて検討し、次いで、(2)ムデハル(キリスト教徒支配下のイスラム教徒)と(3)ユダヤ人についても同様な区分で従来の諸研究を踏まえて検討を加えた。

この結果、13世紀の再植民については、これが必ずしも順調に進展しなかったという事実(再植民の危機)のあったことが認められ、この原因として従来から指摘されてきた点について検討を加えた結果、農村部に多く残留したムデハルを1262-64年の反乱の後に追放してしまったことが、人口の減少と秀れた農民の喪失といった結果をもたらし、これにその他の原因(経済危機、外敵による却掠、内戦)が次々と加わって再植民の危機を招いたのではないかという我々なりの仮説を組立てるに至った。セビ-リャのレパルティミエントを分析して,同地域の大土地所有の形成に関して,以下の知見を得た。土地の分与には,(1)恵与地(donadios)と(2)世襲地(heredamiento)があり,前者は原則として負担はなく,居住義務も負わず,処分も自由であったが,後者は居住が義務づけられ,一定の間は処分が出来なかった。(1)は王族,貴族,延臣,高級役人,司教,教会,修道院,騎士団に,(2)は一般の入植者に与えられた。一般に(1)の方が規模が大きかったから,ここからレパルティミエントによって大土地所有が生まれたとする学説が有力となった。しかし史料を具体的に分析すると,穀物畑については15ユガ-ド(1ユガ-ド=約32ha.)以上の大土地所有は所在者数の2.10%,面積の12.40%にすぎず,さほど卓越しているとは言えない。また大土地所有経営の実態を見ると,ムデハル(残留イスラム教徒)追放による労働力不足,小作人・農業労働者の欠如(入植者はすべて土地所有者である),不在地主が多く経営に熱心ではない,地域内の生産物需要(市場)が小さい(人口不足のため)といった諸要因のため,円滑にいっておらず,更に北アフリカからのイスラム教徒の侵入,キリスト教徒の城壁都市内への避難による農村荒廃がこれに追討ちをかけ,行き詰った不在地主は土地の売却・贈与・放棄を余儀なくされた。中小土地所有者も状況は似ており,やはり土地を放棄・売却して帰郷する者が多かった。こうして放棄・売却された土地の特定の人々への集積が大土地所有の起源を成した。従ってレパルティミエントそのものではなく,むしろその挫折が大土地所有の形成要因であり,時期的にも13世紀中葉ではなく,末に始まったと見るべきである。
高強度レーザー照射下の非平衡輻射プラズマ物理の研究

本研究は帰国発展研究として申請代表者の千徳が米国より帰国し、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター教授に着任した後H28年8月より開始した。本研究の目的は高エネルギー密度科学、特に超高強度レーザー生成プラズマ中の非平衡輻射物理の解明である。そのために原子物理、X線輻射及びその輸送過程を含めたプラズマ電磁粒子コードPICLSを開発する。日本国内で先駆的な研究を行っている研究者と共同研究を行い、コードの高精度化及び高速化を行うと共に、実験研究者と理論シミュレーション研究者が緊密に連携し、輻射を伴う高エネルギー密度プラズマの非平衡物理を探求する。昨年度に研究環境整備としてクラスター計算機システムを導入しシミュレーションコード開発環境を整備した。実施計画に従い、WDM領域での荷電粒子衝突モデル、イオン化及び再結合過程、K殻電離に関する物理モデルの開発を、広島大学城﨑准教授、米国ネバダ州立大学Mancini教授・H. Sawada助教授等とともに行った。実験研究者との共同研究として、理研播磨研究所の犬伏氏・薮内氏(テーマ「高速電子励起のKα線の増幅」)、量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏(テーマ「高Zイオン加速」と「プリパルス加熱物理」)、阪大レーザー研の余語准教授他(テーマ「ピコ秒パルスによる高効率プロトン加速」)などを展開した。高強度レーザーによる異常侵入理論に関して(岩田夏弥氏他共著)はNature Communicationsに掲載された。またX線輻射モデルに関してもPhysical Review E(Ryan Royle他共著)に発表した。研究成果はIFSA(招待講演・9月仏国サンマロ)、ICHED(和歌山県白浜町)プラズマカンファレンス(招待講演・兵庫県姫路市)、米国物理学会プラズマ分科会(10月ミルウォーキー)、日米ワークショップ(9月リバモア)、物理学会などの国内・国際会議で積極的に発表した。特に、岩田夏弥特任研究員による、パルス幅ピコ秒超の相対論的レーザーとプラズマの相互作用に関する研究成果はNature Communicationsにプラズマ基礎理論研究として発表し、コミュニティー内で大変良い反響を得ることができた。量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏等と「高強度レーザーによる高Zイオン加速」に関する共同研究を進め、J-Karen-Pによる銀イオンの加速実験のデータに対する理論的解釈とPICLSシミュレーションに実験データの検証を終え、現在、論文投稿を準備している。理研SACRAの薮内氏や光産業創成大学院大学森准教授との共同研究も継続している。国内・国際会議において、IFSA2017特別招待講演・APS-DPP2017招待講演など6件の招待講演を含む19件の発表を行った。学生教育も開始し、H29年10月から博士課程後期学生への入学を目指す学生を研究員として指導した。彼はH30年4月より大阪大学理学研究科物理学専攻に入学し研究を継続している。帰国発展研究による支援により昨年度は論文も順調に発表することができた。最終年度も継続して学術論文の発表を行っていく。非平衡輻射プラズマ物理として、特にパルス幅ピコ秒超の相対論的レーザーによる物質の加熱・電子の統計的加速・イオン加速、また、対向照射による爆縮コア加熱、XFELによる物質の加熱、超高強度レーザーによる重イオン加速などのテーマについてPICLSコードを援用して研究を進めていく。4月から修士過程2名、後期博士課程1名の学生を研究指導する。また、特任研究員を2名雇用し積極的に研究を展開する。内定年度:2015本研究は帰国発展研究として申請代表者の千徳が米国より帰国し、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター教授に着任した後H28年8月より開始した。本年度は研究環境整備としてクラスター計算機システムを導入しシミュレーションコード開発環境を整備した。実施計画に従い、WDM領域での荷電粒子衝突モデル、イオン化及び再結合過程、K殻電離に関する物理モデルの開発を、広島大学城﨑准教授、米国ネバダ州立大学Mancini教授等とともに行った。余語准教授との共同研究は2月にScientific Reportsに掲載され、関連の理論研究(岩田夏弥氏他共著)をジャーナルに投稿している。また物理モデルに関してもPhysical Review(Ryan Royle他共著)に投稿中である。研究成果は米国物理学会プラズマ分科会(10月加州サンノゼ)、日米ワークショップ(10月加州サンノゼ)、レーザー励起X線研究会(12月山形県天童市)、強磁場下のレーザープラズマ相互作用に関する研究会(3月岡山県玉野市)、物理学会(3月大阪豊中キャンパス)などの国内・国際会議で積極的に発表した。

研究実施計画に記載した実験との共同研究も積極的に展開し、帰国発展研究として国内及び国外の共同研究者との連携を強化し、非平衡輻射プラズマ物理の研究を進める研究基盤を整えることができた。本研究は帰国発展研究として申請代表者の千徳が米国より帰国し、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター教授に着任した後H28年8月より開始した。本研究の目的は高エネルギー密度科学、特に超高強度レーザー生成プラズマ中の非平衡輻射物理の解明である。そのために原子物理、X線輻射及びその輸送過程を含めたプラズマ電磁粒子コードPICLSを開発する。日本国内で先駆的な研究を行っている研究者と共同研究を行い、コードの高精度化及び高速化を行うと共に、実験研究者と理論シミュレーション研究者が緊密に連携し、輻射を伴う高エネルギー密度プラズマの非平衡物理を探求する。昨年度に研究環境整備としてクラスター計算機システムを導入しシミュレーションコード開発環境を整備した。実施計画に従い、WDM領域での荷電粒子衝突モデル、イオン化及び再結合過程、K殻電離に関する物理モデルの開発を、広島大学城﨑准教授、米国ネバダ州立大学Mancini教授・H. Sawada助教授等とともに行った。実験研究者との共同研究として、理研播磨研究所の犬伏氏・薮内氏(テーマ「高速電子励起のKα線の増幅」)、量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏(テーマ「高Zイオン加速」と「プリパルス加熱物理」)、阪大レーザー研の余語准教授他(テーマ「ピコ秒パルスによる高効率プロトン加速」)などを展開した。高強度レーザーによる異常侵入理論に関して(岩田夏弥氏他共著)はNature Communicationsに掲載された。またX線輻射モデルに関してもPhysical Review E(Ryan Royle他共著)に発表した。研究成果はIFSA(招待講演・9月仏国サンマロ)、ICHED(和歌山県白浜町)プラズマカンファレンス(招待講演・兵庫県姫路市)、米国物理学会プラズマ分科会(10月ミルウォーキー)、日米ワークショップ(9月リバモア)、物理学会などの国内・国際会議で積極的に発表した。特に、岩田夏弥特任研究員による、パルス幅ピコ秒超の相対論的レーザーとプラズマの相互作用に関する研究成果はNature Communicationsにプラズマ基礎理論研究として発表し、コミュニティー内で大変良い反響を得ることができた。量子科学技術研究開発機構の西内氏・甲賀氏等と「高強度レーザーによる高Zイオン加速」に関する共同研究を進め、J-Karen-Pによる銀イオンの加速実験のデータに対する理論的解釈とPICLSシミュレーションに実験データの検証を終え、現在、論文投稿を準備している。理研SACRAの薮内氏や光産業創成大学院大学森准教授との共同研究も継続している。国内・国際会議において、IFSA2017特別招待講演・APS-DPP2017招待講演など6件の招待講演を含む19件の発表を行った。学生教育も開始し、H29年10月から博士課程後期学生への入学を目指す学生を研究員として指導した。
１０年間の時系列データに基づく高齢者ケアのサービス・コストに関する日瑞比較研究

サービス・ニーズ、給付サービス、サービス・コストに関する日本とスウェーデンの高齢者ケアの10年間(2000-2010年)の発展を比較分析した。データとして、日瑞二国の高齢者の健康に関する面接縦断調査データと日本の9自治体の要介護認定データおよび給付サービスデータを使用した。多くの類似性とともに差異が発見された。主な類似性は、後期高齢者(85歳以上)の急速な増加、健康状態の改善、機能障害や年齢の高揚に依存するサービス給付であった。差異は、日本の在宅関連サービス費用の増大(特に前半期)と10年間において幾分減少したが、スウェーデンの要介護者1人当たりのサービス・コストは日本の3倍であった。平成23年度の研究実施計画に基づく主な作業は、研究目的である10年間時系列データによる日本・スウェーデン二国間の高齢者ケアのサービス・コストの発展・推移比較のためのデータセット作成作業(自治体抽出、抽出自治体からのデータ収集、データクリーニングなど)であった。日本では自治体の協力を得て、介護保険制度創設以降の10年間分の既存データは、「要介護認定データ」と、国保連合会から各保険者に提供される月毎の「保険者向け給付実績情報」と「介護保険給付等審査決定請求明細情報」の3種類を収集することであった。合計20の保険者に依頼を行い、全国を代表するデリタセット(高齢者年齢別割合など)を重視して、4保険者(中核都市1、特例市1、一般市1、広域連合1)のデータ収集をめざした結果、データ提供の承諾を取り付け、収集を実施した。高齢者一般の健康推移分析のために、日本大学「健康と生活に関する調査」(代表研究者斎藤安彦、2001,2003,2006,2009年のパネル調査)の協力を得て、研究連携を行うことを決定した。スウェーデンの分析データは、国民生活条件調査・健康調査(ULF)、スウェーデン社会庁のケア・サービス・データとフィールド調査(税均衡システム基礎調査、合計8自治体)を内容とする。既に、第一次分析を試みたが、主な結果としては、2005年以降の若年高齢者の増加に対して、後期高齢者率は安定、女性の割合が男女間の死亡率格差の減少により減少傾向、75歳以上の年齢グループにおける夫婦世帯の増加、すべての年齢グループにおける軽度あるいは深刻な不健康な人の割合(特に後期高齢者)やケア・ニーズの減少(平均寿命の上昇)サービス・コストの半分が最高齢グループで消費されているが、その割合は10年間安定している、などであった。平成25年度の研究計画に基づく主な作業は、初年度及び次年度で行った要介護高齢者及び給付サービスと、サービスコストに関するスウェーデン及び日本の10年間の時系列データ(2001-2010年)のそれぞれの分析結果を突合し、二国間の比較分析によって類似性と差異を明確にすることであった。分析方法と過程は下記の分析構造に基づいて、段階的に行い、コスト分析はコストを左右する要因を明確にするために、コストを左右する構成要素を分解して分析を行った。構成要素とは、1)人口構造の変化(高齢者数、年齢別・性別高齢者の割合)、2)健康状態の変化(日本大学「健康と生活に関する調査」を使用)と社会経済的背景の変化、3)日瑞二国のケアシステム(ケア文化、諸権利、ニーズ認定システム)の変化、4)要介護高齢者(年齢グループ別・性別)数の変化、5)一定の要介護度に対する要介護高齢者の特徴、6)一定の要介護ニーズ・機能低下に対するサービス給付と利用率、7)コストの推移である。認知症等の要介護状態の変容とサービス利用の変化に関しては、分析視点を確定するために、まず1自治体を抽出し、日常生活度における認知症度を主軸として要介護状態別のサービス利用状況の探索的分析を行った。さらに、介護保険制度の改正が与えた影響、介護サービス利用者の利用期間や給付サービスの変化の分析なども行った。明らかになった二国間の類似性と差異に基づいて最終的分析結果をまとめ、研究報告書(英文)と国内外の学術誌に投稿するために2本の課題別論文(英語)を作成し、推敲中である。平成24年度の研究実施計画に基づく主な作業は、平成23年度に引き続き、スウェーデンのデータ収集は完了していたため、日本の高齢者ケアのサービス・コストに関する介護保険制度創設以降の10年時系列データ(要介護認定データ、保険者向け給付実績情報、介護保険給付審査決定請求明細書)の収集とデータセットの作成であった。収集にあたってもっとも重要な目的・条件は、日本全国の代表性を反映するデータセット作成であった。収集は、本プロジェクトからデータ提供依頼を行い、自治体の研究趣旨への賛同を取り付け、データの有無や所在を確認し、具体的なデータ提供を得るという段階的方法によって実施した。

しかし、保険者が独自で管理する古いデータの破棄や欠損、庁外へのデータ提供による個人情報保護等への危惧、提供作業に関する人的資源の欠落などから、想定以上の困難が待ち受けていたためにデータ収集完了にまで計画以上の時間を要した。合計16の自治体に依頼し、結果的には9自治体(大中規模都市、一般都市、小規模都市)からデータ提供を受けることができた。最終のデータクリーニングを経て、スウェーデンのデータセットとの統合作業が終了したのは2013年2月末であった。全国の代表性からみると、データセットの高齢化率は幾分低い(約2%)が総体的に条件を満たした内容だといえる。また、本研究に必要な日本の高齢者一般の健康推移分析のために、日本大学「健康と生活に関する調査」(代表研究者齋藤安彦、2001,2003,2006,2009年のパネル調査)から、必要なデータ提供を受けた。スウェーデンのデータに関する第一次分析は既に今年度の春に終えているが、現在日本データの第一次分析を実施中である。スウェーデンのデータ収集とデータセット作成は計画通りに進展し、既に第一次分析を行った。日本のデータ収集は、抽出自治体作業に時間がかかったが、抽出作業は終了し、データセット作成のための諸作業はおおむね順調に進展している。日本のデータ収集に時間を要した理由は、一部の保険者からデータ提供の協力を得られなかったことによる。データ提供が困難であった主な理由は、保険者が独自で管理する要介護認定データの第1期(2000-2002年)と第2期(2003年-2005年)のデータの破棄が行われていたことによる。25年度が最終年度であるため、記入しない。スウェーデンのデータ収集とデータセット作成は計画通りに完了し、既に第一次分析を行った。また、日本大学「健康と生活に関する調査」データの提供も受け、調査期間の推移分析も行うことができた。しかし、日本のデータセットに関しては、古いデータの破棄や欠損、庁外へのデータ提供による個人情報保護等への危惧、提供作業に関する人的資源の欠落など多様な要因からデータ収集作業が約半年遅れたために、データクリーニング作業や日瑞両国データ突合作業も遅れることとなった。遅れは出したが、現在日本のデータの第一次分析を実施中であり、日瑞両国の比較分析は計画通り開始できる状況である。平成24年度は、計画通りデータクリーニング完結後、両国のデータセットの本格的な比較分析を実施する。さらに、高齢者一般の健康状態などに関する10年間の推移の分析を、日本大学「健康と生活に関する調査」(代表研究者斎藤安彦、2001,2003,2006,2009年のパネル調査)との研究連携により実施する。先行研究のレビューなどにより、高度な比較モデル(指標化や解析手法など)の構築を行う。分析結果を抽出保険者に返しながら、結果の解釈の妥当性を検討するために、必要に応じて追加調査(自治体職員のインタビューなどによる質的データの付加)の実施を計画する。前年度に実施した日本自治体のデータ収集が自治体の事情によって若干遅れたが、平成25年度の取組みは、当初の計画通り日本とスウェーデン両国のデータセットの比較分析作業を推進する。分析方法と過程は、以下のような分析構造に基づき、段階的に実施する。特に、コスト分析は、コストを左右する要因を明らかにするために、コストの構成要素を順次分解して実施する。
１８・１９世紀北大西洋海域における海民の文化空間と海のリテラシー

海のリテラシー(情報を取得し、理解し、利用する能力)の研究で、18-19世紀の北大西洋海域の全体史を、「海民」が手ごわい海を「飼い馴らす」という視点から試みた。中間報告として「北大西洋海域の船をめぐる文化空間と「海民」のリテラシー海を飼い馴らすー」というシンポジウムを企画・報告した(2014年6月、日本西洋史学会)。その後、多様なテキストの理解を通して、文化共同体を包括的に見出していったが、2016年には、田中きく代・阿河雄二郎・金沢周作編著『海のリテラシー北大西洋海域における「海民」の世界史』(創元社)を刊行した。陸の歴史とは異なる、また陸の歴史と架橋する可能性を提示した。18・19世紀の北大西洋海域では、一つのワールド(世界)というシステムが形成され、グローバルな諸力の影響が、政治・経済の次元のみならず文化的次元でも、次第に地域共同体にまで浸透した。本研究の目的は、このワールドの構造に、文化的次元から、しかも、海民の世界の分析から切り込み、北大西洋海域における全体史としてのアトランティック・ヒストリーを描こうとするものである。従来、周知のように、多くの北大西洋を一環として捉える研究が生まれたが、それらは経済的次元を重視するあまり、文化的次元にまで踏み込むものは少なかった。また、海洋を射程としながらも、「陸の人」の視点から描かれる傾向があった。パラダイムの転換が望まれるが、本研究では、特に海民の共同体の共通意識を形成した広義のテキストに焦点をあて、そのリテラシー(情報の公開性)による公共圏の検証から、海の地域共同体における文化空間の解体と再生の過程を探る。当該年度は、本研究の最初の年であるので、研究会では、海のリテラシーに関する共通理解に努めた。これには、より実際的な知識を得る必要があるため、商船の航海士の経験者を招き、レクチャーを受けた。研究代表者、分担者、協力者はそれぞれの分担とともに、商人、船乗り、奴隷貿易業者、海民(漁民)などの研究を進めたが、全体では、奴隷貿易の航海記録、海軍の海事書、船乗りの日誌などをテキストに、それぞれの研究の進展を確認した。さらに、2014年度に、日本西洋史学会で「海のリテラシー」につき、小シンポジウムを持つので、その準備作業も進めた。また、研究代表者は、アメリカ合衆国東部、分担者の一部はフランス側のドーヴァー海峡、セント・トーマス島に、海外出張をした。本プロジェクトは、18世紀から19世紀の北大西洋海域を全体として捉え、一つのアトランティック・ヒストリーを描きたいという思いから、B.ベイリン、M.レディカー、A.カバントゥなどの研究に刺激を受けて、複層的な「海民の多面的活動」を捉え、総合化しようとしている。本年度の研究代表者、研究分担者の共通の研究としては、5回の研究会を開催したが、2014年6月開催の日本西洋史学会でのシンポジウム「北大西洋海域の船をめぐる文化空間と海民のリテラシー海を飼い馴らすために」のための準備としての研究と報告に終始した。このシンポジウムでは、人、モノ、ことを移動させる海洋ネットワークと、その結節点に生み出される文化共同体の連鎖に注目することで、そこに見出せる海民のリテラシー(「情報」を取得し、理解し、活用する能力)を抽出する。ここでは、このネットワークを作動させ、時にはその結節点の文化空間を凝縮して表す「船」に焦点を当て、船を介して紡がれる海民の世界をマンタリテの次元にまで切り込むことになる。具体的には、北大西洋を往行した奴隷船、移民船、商船、漁船、あるいは難破船などの船と、それらに関わった商人,船長、水夫、漁民、地域住民といった海民を対象に考察することで、北大西洋の「情報」の交流による共通空間の広がりを捉えることにする。個別の研究では、それぞれ別記のように成果を上げており、また、4名が夏期に、イギリス、アメリカの目的地で海外調査をおこなった。本年度の研究代表者、研究分担者の共通の研究としては、5回の研究会を開催した。また、6月開催の日本西洋史学会では、「北大西洋海域の船をめぐる海の文化空間と海民のリテラシー海を飼い馴らすために」と題してシンポジウムを行った。研究代表者の趣旨説明、研究分担者・協力者3名の報告、研究分担者・協力者2名のコメントといった構成で、他の分担者も質疑応答等に参加した。このシンポジウムでは、人、モノ、ことを移動させるネットワークとその結節点に生み出される文化共同体の連鎖に注目することで、そこに見出せる海民のリテラシー(「情報」を取得し、理解し、活用する能力)を抽出しようとした。ことに、このネットワークを作動させ、時にはその結節点の文化空間を凝縮して表す「船」に焦点を当て、船を介して紡がれる海民の世界をマンタリテの次元にまで切込もうとした。具体的には北大西洋を往航した奴隷船、移民船、商船、漁民、あるいは難破船などの船と、それらに関わった商人、船長、水夫、地域住民を対象に考察することで、北大西洋の「情報」の交流による共通空間の広がりを捉えた。

個別の研究では、それぞれ別記のように成果を上げており、また、3名が夏期にイギリス、アメリカの目的地で、2月から3月にかけて1名がフランスの目的地で海外調査を行った。従来の海の研究では、周知のように、世界システム論や大西洋革命論に刺激されて、多くの北大西洋を一環として捉える研究が生まれたが、それらは経済的次元を重視するあまり、文化的次元にまで踏み込むものは少なかった。本研究は、B・ベイリンのAtlantic History、B・クレインらのSea Changes、・レディカーらのThe Many-Headed Hydra、A・カバントゥのLa mer et les hommesなど一連の研究に影響を受けて、海に生きる人々の世界に、文化的次元から切り込み、北大西洋海域における全体史としてのアトランティック・ヒストリーを描こうとするものである。北大西洋の海は、十八世紀に入ると、航海術などの情報はほぼ行き渡り、かなり安定した航海が想定されるようになった。しかし、少なくとも十九世紀末から二十世紀初頭に、輸送船が実質的に帆船から蒸気船に代わる頃まで、帆船の時代は危険と背中合わせで、海を知り、船を知るための情報を常に最新のものに書き換え、それを着実に利用する能力である「リテラシー」を磨かなければならなかった。こうした問題意識から、本年度は、海民(海に生きる人々)のあり様を通して、リテラシーの実態を見極めることに努めた。そして、『海のリテラシー』(創文社)として、そうした成果を刊行するために、完成原稿を準備した。また、具体的に帆船時代の海の状況を知るために、帆船や汽船の操船経験者で研究者である方々に、操船に関するレクチャーを受けた。本年度は、田中きく代他編『海のリテラシー』(創文社、2016年8月予定)の刊行のため、研究代表者、研究分担者、協力者は、研究のまとめに終始した。研究がある程度まで進んだことを意味しており、あとは編集作業が残るのみである。研究会では、それぞれの進捗状況の報告と同時に、実践的に船に従事されている研究者から、帆船時代、蒸気船への転換期の操船に関する情報を得た。これも、貴重な経験であった。一方で、本年度は、海外の研究者を迎え、ラウンドの研究会を開く予定であったが、先方の都合で、それは実施できなかったため、来年度に再び計画している。また、1名の研究分担者の海外調査が実施できなかったが、それも来年度に予定している。平成27年度より、個別・班別の研究、研究打ち合わせ会の他に、研究成果の刊行のために共同研究を深める目的で、研究代表者、研究分担者、連携研究者、研究協力者による合同研究会を実施してきた。そして、今年度、田中きく代・阿河雄二郎・金沢周作編著『海のリテラシー北大西洋海域における「海民」の世界史』(創元社)として刊行した。また、昨年度、招聘研究者の都合で実施することができなかった国際ラウンド研究会についても、実施に向けて、研究代表者がアメリカ合衆国ケンタッキー州のルイヴィルへ出張し、Jennifer Barker氏へ参加要請を行った。海外調査(研究分担者分)についても実施完了した。海のリテラシー(情報を取得し、理解し、利用する能力)の研究で、18-19世紀の北大西洋海域の全体史を、「海民」が手ごわい海を「飼い馴らす」という視点から試みた。中間報告として「北大西洋海域の船をめぐる文化空間と「海民」のリテラシー海を飼い馴らすー」というシンポジウムを企画・報告した(2014年6月、日本西洋史学会)。
電子・陽電子プラズマ中の相対論的無衝突衝撃波と粒子加速の運動論的研究

無衝突衝撃波の大規模粒子シミュレーションを行い、衝撃波の形成過程と粒子加速過程について運動論的な観点から研究した。その結果、衝撃波上流領域で磁場の乱れを伴った大振幅波が励起されることや、一部の粒子が加速され冪型のエネルギースペクトルを形成すること、加速過程は粒子がジャイロ周期程度の短い時間で衝撃波面を往復する速いフェルミ型加速であることなどが明らかになった。また、衝撃波粒子加速のプラズマ粒子シミュレーションに関係する数値的な問題についても研究を行った。本年度の研究では、国立天文台のスーパーコンピュータXC30用に最適化したプラズマ粒子シミュレーションコードの開発、およびそれを用いた無衝突衝撃波の形成過程、粒子加速についての研究を行った。シミュレーションコードについては、前年度から引き続いて開発を行い、XC30用に並列化実行に適したコードを作成し最適化した。次に、それを用いて、前年の計算をさらに3倍程度にした大規模計算を行い、衝撃波の形成および粒子加速について研究した。そして、初期状態で準平行に近い衝撃波であっても、加速粒子によって衝撃波上流に励起される磁気流体波が卓越してくると衝撃波自体の構造は垂直衝撃波に近くなることや、ほとんどの加速粒子の運動は拡散的ではなく、衝撃波の往復は主に衝撃波面付近でのジャイロ運動により決まっていること、電子については、上流の波の振幅が特に弱くなった時にしか加速されない事などを明らかにした。電子・陽電子プラズマ中の相対論的な無衝突衝撃波についても、主に磁場が垂直の場合に計算を行い、その散逸過程や、衝撃波面での電磁波の放射などについて調べている。また、プラズマ粒子シミュレーションでは、使用する超粒子の数が少ないと高エネルギー粒子のエネルギーロスが顕著になり、そのエネルギー減衰率は電子表皮長あたりの超粒子数に反比例することや、シミュレーションの次元による依存性などについて明らかにした。この結果は論文としてまとめており、現在投稿中である(arXiv:1312.5507)。本年度の研究では、プラズマ粒子シミュレーションのコード開発・最適化、および、それを用いた無衝突衝撃波の形成過程と粒子加速過程のシミュレーションを行った。まず、シミュレーションコードについては、本研究課題を行うに際して新たに1から開発を行った。これまでSX9等のベクトル型スーパーコンピュータを主に使用してきたが、本研究では、より大規模な計算に適した、多ノードの並列コンピュータを使用することとし、それに最適化したコードの開発を行った。こうしたコンピュータにおける大規模なプラズマ粒子シミュレーションでは、主にメインメモリのアクセス時間が計算時間の大部分を占めることを考慮し、メモリアクセスがなるべく少なくなるように最適化を行った結果、従来の数倍の計算速度を実現できた。次に、開発したシミュレーションコードを用いて、電子陽子のプラズマについて、無衝突衝撃波と粒子加速のシミュレーションを行った。その結果、衝撃波遷移層で反射される陽子ビームにより、衝撃波の前面で大振幅の電磁波動が励起されることがわかり、その波動との相互作用によって、陽子だけでなく電子についても粒子加速が衝撃波遷移層付近で働くことがわかった。これは、宇宙線の起源を解明する第一歩として重要な意義があると考えられる。引き続いて、電子陽電子の相対論的衝撃波についても同様の計算を実行している。また、上記の研究において、プラズマ粒子シミュレーションでは、加速された粒子がプラズマ中を伝搬する際にエネルギーを失っていくことが明らかになった。エネルギーの減衰率はシミュレーションに使用する粒子数に依存し、粒子数が少ないとエネルギー減衰率は大きくなることがわかった。したがって、十分高エネルギーまでの粒子加速を扱うためには、その加速のタイムスケールよりもエネルギー減衰のタイムスケールが長くなるように、使用する粒子数を選ばなければならない。本年度は、1、無衝突衝撃波における粒子加速の大規模1次元シミュレーション、2、プラズマシミュレーションにおける高エネルギー粒子のエネルギーロスの問題の研究、3、相対論的無衝突衝撃波の遷移層における電磁放射の研究、4、電荷を保存する2次元プラズマシミュレーションコードの開発、などを主に行った。1、に関しては、前年度から引き続いて研究を行い、熱的なプラズマ粒子の一部が選択的に加速過程に投入される過程(インジェクション過程)や、衝撃波の上流で電子が加熱される過程に関して詳細に調べた。インジェクション過程に関しては、質量の重いイオンに関してはほぼ定常的に加速過程への投入が起こる事が示されたが、電子に関しては間欠的にしか投入が起こらないという結果が得られた。結果をまとめた論文を執筆・投稿し、採択された。2、に関しても、引き続き研究を行い、相対論的なプラズマ中の高エネルギー粒子のエネルギー減衰率を調べた。その結果、相対論的なプラズマの場合でも、高エネルギー粒子のエネルギーがプラズマ粒子の熱的エネルギーよりも十分に大きければ、非相対論的な場合と同様にエネルギー減衰率が電子慣性長あたりの粒子数に反比例する事などがわかった。3、に関して、主に1次元シミュレーションによって調べたが当初予想していた放射率とは異なる結果が得られ、引き続き研究を行っている。4、に関しては、非並列のコードは完成し、並列化を進めている。さらに2次元の相対論的衝撃波の場合には、数値チェレンコフ光と呼ばれる非物理的な放射が発生する事が知られており、電荷を保存するコードを用いる場合に適用できる対策法の実装を進めている。本年度は、まずこれまでに行ってきた、無衝突衝撃波における粒子加速過程の大規模シミュレーションによる研究を論文にまとめて投稿し、Astrophysical Journal誌に掲載された。また、引き続いて、粒子シミュレーションにおける高エネルギー粒子のエネルギーロスについて研究した。

その結果、高エネルギー粒子の速度の方向に対して垂直に強い磁場がある場合には、エネルギー減衰率は磁場が無い場合に比べて減少すること、また、相対論的な温度のプラズマの場合でも、高エネルギー粒子のエネルギーがプラズマの熱的粒子のエネルギーよりもはるかに大きい場合には、エネルギー減衰率は非相対論的な場合とほとんど変わらないことなどがわかった。さらに、プラズマに流れのある場合に発生する数値的な静電不安定性についての研究を行い、過去の文献により与えられていた不安定性が起きるグリッドサイズの閾値が、実際にはシミュレーションで用いられる粒子の形状や、電磁場の差分化の方法などに依存することなどを明らかにした。これらの内容は天文学会やシンポジウムなどで発表し、現在、論文にまとめている。研究期間全体としては、並列型スーパーコンピュータ用のプラズマ・シミュレーションコードを開発し、それを用いて無衝突衝撃波中の粒子加速過程を運動論的に研究した。その結果、無衝突衝撃波の遷移層近傍で反射された粒子により波の励起が起こり、磁場が増幅されること、そしてその波との相互作用によって一部の粒子が加速されることなどが明らかになった。また、粒子法のシミュレーションで問題となるいくつかの数値的問題についても研究を行い、その性質や問題の対処方法などについて詳しく調べた。特に、シミュレーションで用いる粒子数に反比例して高エネルギー粒子のエネルギーロスが起きる事を非相対論的プラズマ、相対論的プラズマ双方の場合について示した。無衝突衝撃波の大規模粒子シミュレーションを行い、衝撃波の形成過程と粒子加速過程について運動論的な観点から研究した。その結果、衝撃波上流領域で磁場の乱れを伴った大振幅波が励起されることや、一部の粒子が加速され冪型のエネルギースペクトルを形成すること、加速過程は粒子がジャイロ周期程度の短い時間で衝撃波面を往復する速いフェルミ型加速であることなどが明らかになった。また、衝撃波粒子加速のプラズマ粒子シミュレーションに関係する数値的な問題についても研究を行った。シミュレーション法特有の粒子のエネルギーロスの問題が明らかになりその原因と対策を研究する必要が生じた事や、並列化コードのデバッグによる開発の遅れがあり、研究の進展が計画よりも遅れた。高エネルギー宇宙物理学、宇宙プラズマ物理学研究の遅れのほか、採択されたものの掲載が本年度中に間に合わなかった論文もあり、研究期間を当初計画よりも一年延長し研究成果をまとめることとした。前年の遅れや粒子のエネルギーロスの問題への対処法の研究などもあり、全体としては当初予定より少し進行が遅れているが、使用するXC30用のシミュレーションコードはほぼ完成したので、今後は順調に進行するものと思われる。