<解説・資料>相対論的プラズマ粒子シミュレーションのための粒子計算アルゴリズム

Abstract

宇宙プラズマ研究では、電磁場の中で荷電粒子の運動を解き進めるプラズマ粒子シミュレーション(Particle-in-cell; PICシミュレーション)が広く活用されている。本稿では、相対論的な粒子運動および全体運動を伴う相対論的プラズマ系をPICシミュレーションで扱うための数値解法を、大きく2つのカテゴリに分けて解説する。前半は、Sobol法などの粒子分布を静止系で初期化する数値解法を紹介する。そして、このような粒子分布にローレンツ変換を施す方法を解説する。後半は、粒子運動の時間積分法としてBoris法とvay法を紹介し、相対論的プラズマ流に特有の数値問題を議論する。

This tutorial article describes numerical methods to deal with a relativistic plasma in particle-in-cell (PIC) simulation. We first overview numerical methods to in itialize particles that follow relativistic velocity distribution functions. Then we describe how to Lorentz-boost the plasma distribution. Next, we introduce two particle integrators, the Boris method and the Vay method. We further present a numerical problem in a magnetized plasma ow at a relativistic speed. It is found that the Boris solver leads to a numerical boost in the momentum space, which depends on the square of the timestep.