高エネルギー密度物理学

高エネルギー密度物理学（HEDP）は、凝縮物質物理学、原子核物理学、天体物理学、プラズマ物理学が交差する物理学の分野です。これは、約1Mbar （または大気圧の約100万倍）の圧力に相当する約100GJ/m ^{3を超える}エネルギー密度での物質と放射線の物理学として定義されています。^[1]

高エネルギー密度（HED）科学には、巨大惑星の深部で一般的な密度の凝縮物質と、恒星内部で典型的な高温プラズマの研究が含まれます。^[2]この学際的な分野は、さまざまな天体物理学的観測を理解し、核融合状態を理解して最終的に制御するための基盤を提供します。具体的には、実験室での慣性閉じ込めによる熱核点火、および自然界での惑星から褐色矮星や恒星への移行は、HED 状態を介して発生します。さまざまな新しい実験機能（国立点火施設（NIF）、木星レーザー施設（JLF）など）とエクサスケールコンピューティングへの推進により、この新しい科学のフロンティアは発見に富んでいます。^[3]

HED 領域は、1 Mbar = 100 GPa ~ 100 万気圧を超えるエネルギー密度 (圧力の単位 ) によって定義されることが多い。これは、水分子などの化学結合のエネルギー密度に匹敵する。したがって、1 Mbar では、私たちが知っている化学反応は変化する。NIF での実験では、現在、100 Mbar で物質を日常的に調べている。これらの「原子圧」条件では、エネルギー密度は内核電子のエネルギー密度に匹敵するため、原子自体が変化する。高密度 HED 領域には、原子間距離がド・ブロイ波長未満の高度に縮退した物質が含まれる。これは、低温で達成される量子領域^[4] (例:ボーズ・アインシュタイン凝縮) に似ているが、低温の類似物とは異なり、この HED 領域では、ボーア半径未満の原子間距離も同時に調べる。これにより、まったく新しい量子力学領域が開かれ、そこでは価電子だけでなくコア電子が物質特性を決定し、コア電子化学と固体における新しい構造的複雑さが生じます。このような物質の潜在的なエキゾチックな電子的、機械的、構造的挙動には、室温超伝導、高密度エレクトライド、一次流体-流体遷移、新しい絶縁体-金属遷移などがあります。このような物質は宇宙全体で非常に一般的であり、最近発見された1000を超える太陽系外惑星に存在しています。^[3]

高温での HED 条件は、恒星の誕生と死、および実験室での熱核融合の制御に重要です。中性子星の誕生と冷却を例に挙げてみましょう。太陽の約 8～20 倍の質量を持つ恒星の中心部は、鉄に融合してそれ以上進むことができません。これは、鉄があらゆる元素の中で核子あたりの結合エネルギーが最も高いためです。鉄の核が約 1.4 太陽質量まで蓄積すると、電子の縮退圧が重力に負けて崩壊します。最初、恒星はニュートリノの急速な放出によって冷却されます。外側の Fe 表面層 (約 10 ⁹ K) は、自発的な対生成を引き起こし、その後、放射圧が熱圧に匹敵し、熱圧がクーロン相互作用に匹敵する温度に達します。^[3]

最近の発見としては金属流体水素と超イオン水がある。^[3]

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