LCSガンマ線は、高エネルギー電子とレーザーの衝突散乱（レーザーコンプトン散乱、Laser Compton Scattering）により発生するエネルギー可変かつ単色のガンマ線ビームです。
われわれは、電子加速器とレーザーの先端技術の融合による高輝度ガンマ線の発生と利用を研究しています。
LCSガンマ線は、単色性、エネルギー可変性、偏光性や指向性において極めて優れた性質をもつ次世代のガンマ線光源です。大強度で、高い単色度のガンマ線を発生させるためには、電子ビームやレーザー光を小さく絞る技術や短パルス化の技術が必要になります。このような先端的な電子加速器とレーザーの研究を進めています。
また、LCSガンマ線を利用した基礎研究（原子核構造、宇宙における元素合成など）、応用研究（核物質の非破壊検知と測定）についても研究を行っています。
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新着情報
論文掲載：Physical Review D（2025年1月13日）
宇宙における光子渦の生成についての論文。非線形コンプトン散乱における光子渦の生成をファインマン図を用いて計算しました。（オープンアクセス）
Photon vortex generation from nonlinear Compton scattering in Feynman approach
Tomoyuki Maruyama, Takehito Hayakawa, Ryoichi Hajima, Toshitaka Kajino, , and Myung-Ki Cheoun
Physical Review D 111, 016016 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.111.016016
論文掲載：Physical Review C (2025年1月8日）
大阪大学核物理研究センター（RCNP）のリングサイクロトロンを使った実験の成果です。原子核のアイソスカラー型巨大単極共鳴を調べました。
Excitation of the isoscalar giant monopole resonance using 6Li inelastic scattering
J. Arroyo, U. Garg, H. Akimune, G. P. A. Berg, D. C. Cuong, M. Fujiwara, M. N. Harakeh, M. Itoh, T. Kawabata, K. Kawase, J. T. Matta, D. Patel, M. Uchida, M. Yosoi
Phys. Rev. C 111, 014308 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.014308
論文掲載：Physical Review C (2024年12月9日）
ミュンヘン工科大学のタンデム加速器を用いた原子核実験の成果。Nd-142 に18MeVの重陽子ビームを衝突させ、生成される Pr-140 の励起状態を調べました。
Low-lying level structure of 140Pr from the (𝑑,𝛼) reaction
D. Bucurescu, S. Pascu, R. Lică, D. Filipescu, R. Hertenberger, H.-F. Wirth, T. Faestermann, M. Spieker, T. Hayakawa, K. Ogawa
Physical Review C 110, 064311 (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.110.064311
論文掲載：Journal of Physics: Conference Seriese (2024年11月29日）
レーザー駆動中性子源を利用した宇宙核物理の研究について、早川上席研究員の論文。（オープンアクセス）
Nuclear Astrophysics Using Laser-Driven Neutrons
T. Hayakawa
Journal of Physics: Conference Series Vol. 2894, 012023 (2024). DOI 10.1088/1742-6596/2894/1/012023
論文掲載：Journal of Physics: Conference Seriese (2024年11月29日）
光渦は、単一の光子が量子スケールで渦波動関数を保有できるという特徴をもっています。本研究では、ベッセル波動関数を用いて光子渦が生成される過程を説明します。さらに、ランダウ準位にある電子の減衰幅と、伝播方向に沿って放出される非ゼロ軌道角運動量をもつ光子のエネルギースペクトルを計算しました。この結果は、強い磁場によって特徴付けられる天体物理学的環境で光子渦が存在する可能性があることを示唆しています。（オープンアクセス）
Photon Vortex Production from Synchrotron Radiation of Electron in Relativistic Quantum Approach
Tomoyuki Maruyama, Takehito Hayakawa, Toshitaka Kajino, Myung-Ki Cheoun
Journal of Physics: Conference Series Vol. 2894, 012025 (2024). DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2894/1/012025
論文掲載：iScience (2024年11月15日）
自由電子レーザー（FEL）相互作用によって電子バンチ内で引き起こされるマイクロバンチングは、バンチ全体の形状を変形させます。京都大学KU-FELの共振器型FELによって生成されたコヒーレントエッジ放射を観測することにより、FEL発振中の電子バンチ長の時間的変化を評価しました。実験では、FELマイクロパルスのエネルギーとゲインが高いときに、電子バンチがより明確に変化することが示されました。さらに、電子バンチの伸長と圧縮の挙動は、非平均化法に基づく1次元FELシミュレーションと一致していました。（オープンアクセス）
Temporal evolution of electron-bunch length in macropulse of resonator-type free-electron lasers
Norihiro Sei, Heishun Zen, Hideaki Ohgaki, Ryoichi Hajima
iScience Volume 27, Issue 12 (2024). DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.1114022
論文掲載：Astrophysical Journal (2024年10月24日）
宇宙の極めて強い磁場の中で光子渦が生成されます。MeVエネルギーの光子渦は原子核との相互作用で大きな角運動量の移動を引き起こす可能性があるため、恒星内元素合成に影響を与える可能性があります。本研究では、ベッセル波で記述される光子渦と、平面波で記述される非光子渦について、原子核との相互作用＝光子吸収遷移確率の違いを計算しました。その結果、運動量空間における入射光子渦の発散角を最適化することで、大きな全角運動量を持つ励起状態への遷移が強められることが示されました。しかし、運動量空間全体の平均では、光子渦と平面波に遷移確率の違いは現れませんでした。そのため、ベッセル光子渦が天体物理環境で生成されたとしても、合成される元素の同位体存在比は変化しないことがわかりました。
Effect of Photon Vortex Generated in Extremely Strong Magnetic Fields on Stellar Nucleosynthesis
Tomoyuki Maruyama, Takehito Hayakawa, Myung-Ki Cheoun and Toshitaka Kajino
Astrophysical Journal 975, 51 (2024). DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad77a4
論文掲載：Physical Review C (2024年10月15日）
大阪大学核物理研究センター（RCNP）のリングサイクロトロンを使った実験の成果です。24Mg, 28Si, 58Ni, 90Zr, 116Sn, 208Pbの原子核に、核子あたり98 MeVのエネルギーを持つ重陽子を入射し、重陽子の弾性、非弾性散乱を測定しました。措定した散乱角度分布から重陽子の光学ポテンシャルを求めました。
Optical model potentials for deuteron scattering off 24Mg, 28Si, 58Ni, 90Zr, 116Sn, and 208Pb at ≈100 MeV/nucleon
解説記事掲載：Isotope News (2024年9月26日）
アイソトープ協会が発行する月刊誌、Isotope News に解説記事が掲載されました。
「176Lu半減期を正確に測定」 早川岳人、静間俊行、飯塚毅
Isotope News 2024年10月号 p.2 (2024)
論文掲載： Scientific Reports (2024年9月19日）
レーザー駆動中性子源は、強力な短パルス中性子ビームを作ることができます。中性子利用のひとつ、中性子共鳴透過分析（NRTA）は、パルス熱中性子と熱外中性子を使用して材料サンプル内の核種（同位体）の組成を調べることができる非破壊測定技術です。本研究では、大阪大学レーザー科学研究所のLFEXレーザーを用いたレーザー駆動中性子源を使ったNRTA実験を報告します。（オープンアクセス）
Demonstration of Shape Analysis of Neutron Resonance Transmission Spectrum Measured with a Laser-driven Neutron Source
M. Koizumi, F. Ito, J. Lee, K. Hironaka, T. Takahashi, S. Suzuki, Y. Arikawa, Y. Abe, Z. Lan, T. Wei, T. Mori, T. Hayakawa, and A. Yogo
Scientific Reports 14, Article number: 21916 (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-72836-8
論文掲載：European Journal of Physics (2024年8月28日）
原子核の中性子捕獲反応で放出されるガンマ線の円偏光度を測定することで、原子核の励起準位のスピンとパリティを求めることができ、さらには、パリティの非保存を検証することにも役立ちます。本研究では、磁気コンプトン散乱の原理に基づいて製作したガンマ線円偏光度計（ポラリメータ）の動作確認を、分子研UVSOR-IIIのレーザーコンプトン散乱ガンマ線を用いて行いました。また、本ポラリメータを用いて、J-PARC中性子ビームを使った原子核の中性子捕獲反応、32S(n,γ)33Sを測定しました。
Circular polarization measurement for individual gamma rays in capture reactions with intense pulsed neutrons
S. Endo, R. Abe, H. Fujioka, T. Ino, O. Iwamoto, N. Iwamoto, S. Kawamura, A. Kimura, M. Kitaguchi, R. Kobayashi, S. Nakamura, T. Oku, T. Okudaira, M. Okuizumi, M. Omer, G. Rovira, T. Shima, H. M. Shimizu, T. Shizuma, Y. Taira, S. Takada, S. Takahashi, H. Yoshikawa, T. Yoshioka, H. Zen
Eur. Phys. J. A (2024) 60:166. DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-024-01392-6
論文掲載：Nature Communications (2024年7月12日）
物体内部の物質の温度測定を瞬時に行う手法として、レーザー駆動中性子ビームと中性子共鳴吸収（NRA）を組み合わせた手法を開発しました。本研究では、高出力レーザーで作られた約 100 ns 幅の単一中性子パルスをNRA に利用し、物体内部の元素または同位体の温度を測定しました。実験では、室温から 617 K までのタンタル (Ta) 金属箔の温度測定を行い、室温に保たれた銀 (Ag) 箔を基準として、中性子共鳴吸収のドップラー広がりからタンタルの温度が求めれることを確かめました。（オープンアクセス）
Single-shot laser-driven neutron resonance spectroscopy for temperature profiling
Zechen Lan, Yasunobu Arikawa, SeyedReza Mirfayzi, Alessio Morace, Takehito Hayakawa, Hirotaka Sato, Takashi Kamiyama, Tianyun Wei, Yuta Tatsumi, Mitsuo Koizumi, YukiAbe1, Shinsuke Fujioka, Kunioki Mima, Ryosuke Kodama, Akifumi Yogo
Nature Commnications 15, Article number: 5365 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49142-y
論文掲載：Physics of Plasmas (2024年7月10日）
レーザーイオン加速において準単色エネルギーを持ったビームを生成することは、レーザープラズマ物理の重要な研究課題のひとつです。本研究では、アルミフォイルの表面に重水素水（D2O）の薄膜を蒸着する新たな手法を開発しました。この薄膜に1019W/cm2のレーザーを照射したところ、エネルギーが10.8 MeV、エネルギー幅が4.6%の準単色の重陽子ビームを生成することに成功しました。
Realizing laser-driven deuteron acceleration with low energy spread via in situ D2O-deposited target
Tianyun Wei, Yasunobu Arikawa, Seyed Reza Mirfayzi, Yanjun Gu, Takehito Hayakawa, Alessio Morace, Kunioki Mima, Zechen Lan, Ryuya Yamada, Kohei Yamanoi, Koichi Honda, Sergei V. Bulanov. Akifumi Yogo
Physics of Plasmas 31, 073903 (2024). DOI: https://doi.org/10.1063/5.0213175
論文掲載：Japanese Journal of Applied Physics (2024年7月1日）
高次高調波発生(high-harmonic generation)からの光子の最大エネルギーは、入射レーザーの波長とともに増加します。自由電子レーザー(FEL)は、中赤外波長域で波長可変な光源であり、HHGで利用可能な光子エネルギー範囲の拡大を研究するのに適しています。最近、日本大学の自由電子レーザー装置(LEBRA-FEL)のアンジュレータ磁石が交換され、FELの出力が増加しました。本研究では、FELのパルス長、集光点におけるビームサイズを評価し、2μmと3μmの波長にてLEBRA-FELがHHGを駆動できることを示しました。
Beam characterization of mid-infrared free electron laser to drive high-harmonic generation
K. Kawase, H. Zen, T. Sakai, Y. Hayakawa, H. Ohgaki, R. Hajima
Japanese Journal of Applied Physiscs 63 072001 (2024). DOI: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ad5425
論文掲載：Optics Express (2024年6月5日）
本論文では、波長 10 μm、繰り返し周波数 2.856 GHz の自由電子レーザー(FEL)による、アルゴン中のレーザー誘起放電の実験結果を報告します。個々のFELパルスのフルエンスは放電閾値よりも 1 桁小さいにもかかわらず、パルス列でカスケード電離が発生し、放電を引き起こしました。パルス列内の放電確率はガス圧とともに増加し、清浄度の低いガス チャンバーでは特に増加しました。カスケード電離の数値シミュレーションにより、実験結果を再現することができました。シミュレーションから、放電現象は、レーザーパルスによる電離電子の雪崩的増殖とパルスインターバルにおける電子拡散のバランスによって決まることが明らかになりました。（オープンアクセス）
Breakdown of argon by a train of high-repetition long-wave-infrared pulses from a free-electron laser oscillator
R. Hajima, K. Kawase, J.K. Koga, H. Zen, H. Ohgaki
Optics Express 32, 22722-22737 (2024). https://doi.org/10.1364/OE.524887
論文掲載：Physics of Plasmas (2024年5月28日）
高出力レーザーを用いることで、無衝突衝撃波や磁気再結合などの非相対論的実験室プラズマにおける宇宙および天体物理現象の研究が可能です。高強度レーザーの高繰り返し化に伴い、大量の実験データの処理が必要となります。本論文では、プラスチック製の飛跡検出器で検出されたイオンエッチピットの分析手法として、畳み込みニューラルネットワークによる機械学習を適用し、イオンエッチピットデータを高い精度と再現性で分析できることを示します。さらに、AI を応用して、レーザー生成乱流プラズマ内のベクトル電場と磁場を 3 次元で再構築した結果を報告します。
Optimization of laser-driven quantum beam generation and the applications with artificial intelligence
Y. Kuramitsu, T. Taguchi, F. Nikaido, T. Minami, T. Hihara, S. Soichiro, K. Oda, K. Kuramoto, T. Yasui, Y. Abe, K. Ibano, H. Takabe, C.M. Chu, K. T. Wu,W. Y. Woon, S.H. Chen, C.S. Jao, Y.C. Chen, Y.L. Liu, A. Morace, A. Yogo, A. Arikawa, H. Kohri, A. Tokiyasu, S. Kodaira, T. Kusumoto, M. Kanasaki, T. Asai, Y. Fukuda, Ko. Kondo, H. Kiriyama, T. Hayakawa, S. Tanaka, S. Isayama, H. S. Kumar, N. Ohnishi, T. Pikuz, K. Sakai, R. Yasuhara M. Nakata, R. Ishikawa, A. Mizuta, N. Bolouki, N. Saura, S. Benkadda, M. Koenig, and S. Hamaguchi
Physics of Plasmas 31, 053108 (2024). DOI: https://doi.org/10.1063/5.0190062
論文掲載：Physical Review C (2024年5月20日）
タンタルの同位体181Taの原子核の励起状態をレーザーコンプトンガンマ線を使って調べました。実験は、米国Duke大学のHigh Intenisity g-ray Source (HIgS)で行いました。181Taの原子核共鳴蛍光散乱を測定し、励起準位のスピンとパリティを決定しました。
Spin and parity assignments for low-lying dipole states in the odd-mass nucleus 181Ta
T. Shizuma, M. Omer, R. Hajima, M. Koizumi
Physical Review C 109, 054320 (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.109.054320
論文掲載：Journal of Applied Physics (2024年5月8日）
LCSガンマ線と原子核共鳴蛍光散乱を使って、同位体の組成分析を非破壊で行いました。
Nondestructive determination of isotopic abundance by multi-energy nuclear resonance Florescence driven by laser Compton scattering source
Mohamed Omer, Toshiyuki Shizuma, Ryoichi Hajima, and Mitsuo Koizumi
J. Appl. Phys. 135, 184903 (2024) https://doi.org/10.1063/5.0197076
論文掲載：Japanese Journal of Applied Physics (2024年4月15日）
早川岳人上席研究員と阪大レーザー研の共同研究の成果が論文出版されました。レーザーによる重水素ビーム加速のための固体ターゲットの開発（オープンアクセス）。
Cryogenic solid deuterium target formation to realize highly pure deuteron acceleration by high-intensity laser
Tianyun Wei, Akifumi Iwamoto, Zechen Lan, Takehito Hayakawa, Yasunobu Arikawa, Daiki Tanabe, Takashi Ishimoto, Takato Mori, Masatoshi Takeshita, Masakatsu Murakami, Yanjun Gu, Alessio Morace, Mitsuo Nakai and Akifumi Yogo
Japanese Journal of Applied Physics 63, 046002 (2024). https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/ad32e6
論文掲載：High Power Laser Science and Engineering (2024年3月5日）
QST関西研のJ-KAREN-Pレーザーを利用した研究成果です。
Metrology for sub-Rayleigh-length target positioning in ∼1022 W/cm2 laser–plasma experiments
E. A. Vishnyakov, A. Sagisaka, K. Ogura, T. Zh. Esirkepov, B. Gonzalez-Izquierdo, C. D. Armstrong, T. A. Pikuz, S. A. Pikuz, W. Yan, T. M. Jeong, S. Singh, P. Hadjisolomou, O. Finke, G. M. Grittani, M. Nevrkla, C. M. Lazzarini, A. Velyhan, T. Hayakawa, Y. Fukuda, J. K. Koga, M. Ishino, K. Kondo, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishikino, Y. V. Nosach, D. Khikhlukha, I. P. Tsygvintsev, D. Kumar, J. Nejdl, D. Margarone, P. V. Sasorov, S. Weber, M. Kando, H. Kiriyama, Y. Kato, G. Korn, K. Kondo, S. V. Bulanov, T. Kawachi, A. S. Pirozhkov
High Power Laser Science and Engineering. 2024;12:e32. doi:10.1017/hpl.2024.11
論文掲載：Quantum Beam Science (2024年2月29日）
早川岳人上席研究員と阪大レーザー研の共同研究の成果が論文出版されました。レーザー駆動中性子による共鳴吸収測定を行うための熱外中性子スペクトロメータの開発。（オープンアクセス）
Development of a time-gated epithermal neutron spectrometer for resonance absorption measurements driven by a high-intensity laser
Z. Lan, Y. Arikawa, Y. Abe, S.R. Mirfayzi, A. Morace, T. Hayakawa, T. Wei, A. Yogo
Quantum Beam Sci. 2024, 8, 9. https://doi.org/10.3390/qubs8010009
論文掲載：Journal of Physics: Conference Series (2024年1月26日）
羽島良一GLと京都大学グループの研究成果が論文出版されました。自由電子レーザー共振器において、電子バンチのコヒーレント放射を用いて光の位相を安定化する提案です（オープンアクセス）。
Carrier-envelope phase stabilization in FEL oscillators
R. Hajima, K. Kawase, H. Zen and H. Ohgaki
Journal of Physics: Conference Series 2687, 032013 (2024). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2687/3/032013
論文掲載：Physical Review C (2024年1月2日）
静間俊行上席研究員の論文が出版されました。兵庫県立大のNewSUBARU放射光にて、レーザーコンプトン散乱（LCS）ガンマ線を使って、ニッケル58原子核の励起状態を調べたものです。
Parity assignment for low-lying dipole states in 58 Ni
T. Shizuma, M. Omer, T. Hayakawa, F. Minato, S. Matsuba, S. Miyamoto, N. Shimizu, and Y. Utsuno
Physical Review C 109, 014302 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevC.109.014302
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