大谷先生との大谷先生との出会との出会いと出会いと研究
いと研究

上智大学・
上智大学・理工学部
岡田 邦宏“大谷先生追悼シンポジウム
大谷先生追悼シンポジウム2014
シンポジウム2014”
2014”2014年
2014年10月
10月4日（土）於 東北大学

自己紹介
１９９１年
１９９１年 電気通信大学 大谷研究室に大谷研究室に配属（配属（第一期生）第一期生）（なんと“なんと“ジャンケン”ジャンケン”で配属が配属が決まる）
まる）
１９９２年
１９９２年 修士課程進学
修士課程進学

東大原子核
東大原子核研究所
原子核研究所との研究所との共同研究との共同研究へ共同研究へ参加

１９９４年
１９９４年 博士課程進学
研究テーマ
研究テーマ“
テーマ“不安定原子核研究への不安定原子核研究への展開への展開を展開を目的とした目的とした冷却とした冷却9Be+イオンのレーザー・マイクロレーザー・マイクロ波二重共鳴分光法・マイクロ波二重共鳴分光法の波二重共鳴分光法の開発”
開発”

現在、現在、上智大学
上智大学・大学・理工学部・理工学部・物質生命理工学科
物質生命理工学科に学科に所属

電通大・電通大・大谷研究室の大谷研究室の印象
所属期間：
所属期間：１９９１年
１９９１年～１９９８年
１９９８年
研究室中心の研究室中心の生活（生活（大学院以降）大学院以降）– 昼夜を
昼夜を問わず誰
わず誰か居る（ 実験，実験，睡眠，睡眠，飲み会）

オープンな研究室
オープンな研究室– とにかく人
とにかく人が集まる，まる，訪問研究者が訪問研究者が多数– 他大学からの他大学からの進学者からの進学者も進学者も多かった（かった（多彩なメンバー多彩なメンバー）なメンバー）– 来る者拒まず・者拒まず・去まず・去るもの追るもの追わず（わず（大谷先生語録）
大谷先生語録）研究志向– 学生も学生も研究者として研究者として扱として扱われた（われた（と思います）
います）
– 海外を
海外を含む色々な色々な研究所・研究所・大学との大学との交流との交流・交流・共同研究多数
私自身も私自身も修士から修士から原子核研究所から原子核研究所の原子核研究所の研究に研究に参加、参加、博士課程1博士課程1年のとき、のとき、ドイツ・マインツ大ドイツ・マインツ大へ3か月滞在

研究生活のはじまり
研究生活のはじまり大谷先生、
大谷先生、先輩・先輩・同期の同期の学生と学生と名大プラ
名大プラ研
プラ研へ初めての出張
めての出張

卒業研究：
卒業研究：名大プラ
名大プラ研
プラ研から運から運んだポールトラップの立んだポールトラップの立ち上げ（プラ研
プラ研・梶田さん梶田さんがさんが製作）製作）“CO２＋の準安定状態の準安定状態の寿命測定（寿命測定（１９９１年１９９１年）”
実際に実際にはクリプトンイオンのトラップ
はクリプトンイオンのトラップ寿命
トラップ寿命の寿命の測定しか測定しかできなかったしかできなかった
実験装置
実験装置は
装置はセラトロン，セラトロン，ピコアン，ピコアン，XYレコーダーなど
XYレコーダーなど
大谷先生
大谷先生の先生の直接指導も直接指導も、今思えばとても貴重えばとても貴重な貴重な時間でした
時間でしたTokyo ＥＢＩＴ立
ＥＢＩＴ立ち上げの時期
げの時期にもかかわらず時期にもかかわらず…にもかかわらず…
修士課程進学後修士課程進学後，課程進学後，原子核研究所との原子核研究所との共同研究との共同研究に共同研究に参加“イオントラップを用イオントラップを用いた不安核いた不安核イオンの不安核イオンの超微細構造精密分光
イオンの超微細構造精密分光”
超微細構造精密分光”

研究室のゼミ
研究室のゼミでのゼミで紹介された
紹介された記事
された記事
パリティ Vol.04, No.06, 19891989-06
NEWS“光NEWS“光でイオンを並でイオンを並べる”べる”著：バーバラ・ゴス・レヴィ

強く印象に印象に残る．．．

イオントラップを使
イオントラップを使うとイオンを閉うとイオンを閉じ込めることができ，めることができ，レーザーを使レーザーを使うと１うと１つ１つの原子（原子（イオン）イオン）を”観る”ことができるらしい．．．
ことができるらしい．．．

いつかこんな研究
いつかこんな研究をやってみたい研究をやってみたい
大学院へ
大学院へ進学後，進学後，東大原子核研究所へ
東大原子核研究所へ派遣（派遣（片山・片山・和田Ｇ）
和田Ｇ）
不安定核イオンのレーザー
不安定核イオンのレーザー冷却
イオンのレーザー冷却，冷却，精密分光研究をはじめる
精密分光研究をはじめる

研究の研究の過去・過去・現在・現在・未来
不安定核イオンの不安定核イオンの分光学的研究
イオンの分光学的研究（分光学的研究（理研・理研・和田グループ
和田グループ）グループ）– ミラー核ミラー核7Be+, 中性子ハロー
中性子ハロー核
ハロー核11Be+の精密分光（精密分光（磁化分布，磁化分布，荷電半径の荷電半径の研究）研究）– 不安定原子核の不安定原子核の精密質量測定（精密質量測定（多重反射型質量分析計）多重反射型質量分析計）

星間化学への星間化学への貢献への貢献を貢献を目的とした目的とした低温とした低温イオンー
低温イオンー分子反応
イオンー分子反応の分子反応の研究（研究（上智大）
上智大）– NH3+ + H2 → NH4+ + HのHの温度依存性測定– 低温におけるイオンー
低温におけるイオンー極性分子反応
におけるイオンー極性分子反応の極性分子反応の測定

イオンのクーロン結晶
イオンのクーロン結晶の結晶の生成とその生成とその応用とその応用（応用（上智大）
上智大）– 新奇なクーロン
新奇なクーロン結晶
なクーロン結晶の結晶の生成と生成と観測（観測（リング・円筒リング・円筒クーロン
円筒クーロン結晶クーロン結晶）
結晶）– CaH+の振動回転基底状態の振動回転基底状態の生成・レーザー生成・レーザー分光・レーザー分光（分光（NICT梶田氏
NICT梶田氏）
梶田氏）– Yb+原子時計の原子時計の開発（
開発（NICT志賀氏
NICT志賀氏・志賀氏・学生派遣、ＭＤ学生派遣、ＭＤ計算、ＭＤ計算）
計算）

太陽風多価イオン
太陽風多価イオンX
イオンX線遷移の線遷移の実験室観測（実験室観測（首都大・首都大・電通大・電通大・上智大）
上智大）– 多価イオントラップ
多価イオントラップ用
イオントラップ用キングドンイオントラップの開発
キングドンイオントラップの開発

不安定核Be
不安定核Be+イオンの分光学的研究
イオンの分光学的研究＜主な共同研究者＞
共同研究者＞
和田道治,
和田道治, 中村貴志,中村貴志, 高峰愛子,
高峰愛子, P. Schury, 園田 哲,, 山崎泰規,山崎泰規,金井保之,金井保之, 小島隆夫,島隆夫, 吉田敦,
吉田敦, 久保敏幸,久保敏幸, 伊藤由伊藤由太, 岡田邦宏
岡田邦宏A, 大谷俊介B, 片山一郎C ,V.LioubimovD, H.WollnikE, H. A. SchuesslerD, S. Naimi
理研,理研, 上智大A，電通大B, 高エネ研
エネ研C, テキサス大
テキサス大D, ギーセン大
ギーセン大E

核研時代を核研時代を含めるとめると２５年２５年ほど経過
ほど経過
現在は
現在は、理研RIBF
理研RIBFにおけるRIBFにおけるSLOWRIにおけるSLOWRIのSLOWRIの建設及び建設及び不安定原子
核の精密質量測定が
精密質量測定が精力的に精力的に行われているなぜ不安定核なぜ不安定核の不安定核の研究が研究が必要か必要か？
不安定原子核（不安定原子核（10000種以上10000種以上）種以上）を対象とする対象とする核物理とする核物理
従来の従来の原子核理論を原子核理論を越えた究極えた究極の究極の原子核理論の原子核理論の構築
新奇な新奇な原子核構造の原子核構造の理解
中性子ハロー
中性子ハローをもつハローをもつ不安定核をもつ不安定核の不安定核の発見（
発見（11Li, 11Be, etc...）etc...）

天体核物理学
天体核物理学への理学への貢献への貢献
R-process における生成元素における生成元素の生成元素の存在比の存在比の研究 ex. 8Li(a, n)11B

原子分光学的手法による原子分光学的手法による不安定同位体Be不安定同位体BeのBeの核構造研究(1) 11Be ( I = 1/2+), 半減期１半減期１3.8秒
3.8秒
一中性子ハロー
一中性子ハロー核分光学的研究が可能（可能（他の同位体に同位体に比べてハロー核の分光学的研究が超微細相互作用弱いと超微細相互作用弱いと予測
いと予測され予測され，され，大きなB
きなB-W効果が効果が期待される
期待される）
される）
理論計算との理論計算との比較との比較による比較による磁化分布導出
による磁化分布導出
荷電半径との荷電半径との比較との比較(2) 7Be ( I = 3/2+), 半減期53.29
半減期53.29日
53.29日
7LiとLiと鏡核対をなすため核対をなすため，をなすため，核子の核子の軌道角運動量、軌道角運動量、スピン角運動量
ピン角運動量の角運動量の期待値を期待値を実験的に実験的に導出可能
導出可能
しかし磁気
しかし磁気モーメントが磁気モーメントが測定モーメントが測定されていなかった
測定されていなかった

oneone-neutron halo
11Be

BohrBohr-Weisskopf 効果（効果（磁気超微細構造異常）
磁気超微細構造異常）
磁気超微細構造定数A=−∫ Μ N (rn ) ⋅B J (rn )drn
IJ

A p.d . = −µ I ⋅ B J (0)IJ= Ap.d . (1 + ε )点核磁気モーメントをもつ
点核磁気モーメントをもつ場合の場合の相互作用定数

InucleusµI , Q, W ...

se-

超微細構造定数Aと核磁気モーメント
核磁気モーメントµI を独立に独立に高精度測定µ I1 I 2 (1 + ε 1 )==Aexp 2 Apd 2 (1 + ε 2 ) µ I 2 I1 (1 + ε 2 )Aexp1

Apd 1 (1 + ε 1 )電子の電子の波動関数の波動関数の影響を影響をキャンセルできる

Differential Hyperfine Anomaly∆12 ≡Aexp1µ I 2 I1
Aexp 2 µ I1 I 2− 1 ≅ ε1 − ε 2

実験値は実験値は全ての理論的補正ての理論的補正を理論的補正を含む（理論の理論の検証が検証が可能）可能）

実験装置
理化学研究所・理化学研究所・仁科記念棟・仁科記念棟・ＲＩＰＳ

T. Nakamura et al. PRA(2007)

A. Takamine et al. Eur. Phys. J. A (2006)(2006)

実験時にトラップに実験時にトラップに入射にトラップに入射されるビーム入射されるビーム強度されるビーム強度 1cps
～数10 cps (レーザー(レーザー冷却必須レーザー冷却必須）冷却必須）

レーザー冷却
レーザー冷却イオンのレーザー・マイクロ冷却イオンのレーザー・マイクロ波
イオンのレーザー・マイクロ波
二重共鳴分光法
2P
3/22P
3/2

876313nm
円偏光

5蛍光消失
強い蛍光4322S
1/2

F=11マイクロ波
マイクロ波 0- 1 5- 1 0- 5051 0m i c ro w a v e d e tuni ng [ k H z ]F=2
レーザー冷却状態
レーザー冷却状態

マイクロ波遷移マイクロ波遷移による波遷移による蛍光の蛍光の消失を消失を測定

円偏光を円偏光を使って最大って最大または最大または最小または最小の最小のmF 準位へ準位へ光ポンピング（同時にレーザー同時にレーザー冷却にレーザー冷却）
冷却）

高感度・高感度・高精度な高精度なマイクロ波分光
マイクロ波分光が波分光が可能

1 5

7Be+のレーザー・マイクロ波二重共鳴分光のレーザー・マイクロ波二重共鳴分光
3300
3250

6050

(a) σ+ polarization

6000
5950

counts/bincounts/bin

3200(b) σ− polarization

3150
3100
3050

5900
5850
5800

3000

ν+ = 1472.748(8) MHz

5750

2950

ν− = 1498.416(13) MHz

FWHM 43(10) kHz5700FWHM 35(13) kHz

2900
72.5

72.6

72.7

72.8

72.9

73

microwave frequency − 1400 (MHz)

98.3

98.4

98.5

98.6

98.7

microwave frequency − 1400 (MHz)A = −742 .77228 ( 43) MHz,
µ7 =

5650
98.2

A7 I 7µ 9 (1 + ∆ ), ∆ ~ 10 −5
A9 I 9∆A / A ~ 6 × 10 −7µ 7 = −1.39928( 2) µ N

7BeのBeの磁気モーメントを磁気モーメントを高精度モーメントを高精度に高精度に決定（世界初！）
世界初！）

博士課程以来、博士課程以来、１０年越１０年越しの年越しの研究
しの研究が研究が遂に実る！

遂に今年、今年、念願の念願の11Be+の精密超微細構造分光の精密超微細構造分光の論文が論文が出版される
出版される！
される！
和田さん
和田さんのさんの言：“大谷先生に大谷先生に出版のご出版のご報告のご報告ができなかったことが報告ができなかったことが残念ができなかったことが残念”
残念”

上智大学における研究の紹介
CaH+イオンの振動回転基底状態の生成と検出陽子－電子質量比（β = mp/me）の時間変化に高い感度をもつ分子イオンが注目されている。本研究ではCaH+の超精密振動遷移分光を行うために必要となる“振動回転基底状態”の生成を実現するための基礎研究を行っている。

星間分子雲におけるイオン‐極性分子反応の実験室測定
イオントラップ中で生成された極低温分子イオンと低速極性分子を反応させ、低温におけるイオン－極性分子反応の反応速度定数の測定を行っている。
星間分子雲の研究に必要なデータベースへの貢献
低温反応における量子効果・異常な温度依存性の発見を目指す【分子振動遷移のβ = me/mp 依存性】
Electronic transition : ν el ∝e24πε 0 a B∝m p meme + m pInternuclear Energy : V XH + = M n (Rω vib )2

ν vibme∝ν elmp
サイドバンド冷却で重心運動の振動基底状態を生成
分子振動遷移の励起によりCa+の振動準位が変化≈ me※梶田雅稔, 日本物理学会誌67 (2012)※X. Calmet at al.,EPJ. E24, 639 (2002)

e2

ν

2
∝ m p viba B2 ∝4πε 0 a B→ ν vib ∝ me3 / 2 m −p1/ 2

 ν vib 1  ν vib  ∆(m p / me )∆β ∝ −  ×→ ∆∝−2  ν el  m p / meβ ν el Em = +1/2(J, v) = (0,0) → (0, 1)遷移が起きたかどうかを、Ca+のLIFにより高感度に検出（λλ = 6.94 µm）

m = −1/2(0, 0)：LIF ON → 非共鳴

J = 1, F = 3/2
J = 1, F = 1/2v' =1
J = 0, F = 1/2
ν+v'' =0

J = 1, F = 3/2
J = 1, F = 1/2(0, 1)：LIF OFF → 共鳴

ν−m = +1/2

J = 0, F = 1/2+ 1

CaH Σ statem = −1/2B

光時計遷移と比をとるδν/ν ~10-16【Cryogenic Linear Paul trap】
10 mmbandpass filter(400-655nm)

linear Paul trap

φ5cooling lasers(397 & 866 nm)

spectroscopylaser (405 nm)

300

radiation
shield(10K)Si diode sensor

Ttrap (K)250
20015010050radiation
shield(9W@38K)
10K cryocooler
2nd stage (5W@20K)

イオントラップ電極に冷却
イオントラップ電極を電極を12.8 Kにし、CaH+の回転基底状態を回転基底状態を生成

0Tmin = 12.8 K
050

100150time (min.)200

【Laser spectroscopy of CaH+】
Electronic transitions in CaH+

Einstein A [kHz]Emission λ [nm]

1Σ
2Σ
1Σ
2Σ
v ''↓v '→v ''↓v '→11523.2 吸収
405.3 吸収
001048.7 発光
430.5 発光
11606.1
458.3
2214.6488.933323.5
522.7
44917.2
560.055907.2601.2
66466.8646.877129.0
696.9
88
16.2
751.9
990.4
811.8
10101111※M. Abe et al., J. Phys. B43, 245102 (2010);
CPL521, 31 (2012).

励起：
励起：405 nm レーザー（レーザー（紫）LIF観測
LIF観測：
観測：430～430～752nm→ パルス照射
パルス照射による照射によるLIFによるLIF観測
LIF観測

環境温度12.8KでCaH+イオンを生成し、1時間以上トラップ→ v = 0, J = 0 : 約55%を達成?

Stark Velocity filter@Sophia

飛行時間測定によるの速度分布
飛行時間測定による低速による低速CH
低速
3CNの

21

実験装置（主要部）
beam guidelinear ion trap

LN2 cold plate(70K)

Ca bulkholder

electron gunablation
YAG laser

coolinglasersイオン‐イオン‐極性分子反応の極性分子反応の実験室測定
ion trap
Slow molecules

Coldions

Stark velocity filter

T=6K

極性分子回転準位の極性分子回転準位のStark shiftをを用いて低いて低速部分のみを速部分のみを選別のみを選別
Ca+クーロン結晶
画像
クーロン結晶の結晶のCCD画像

1.3mm
1. Ca+ クーロン結晶
クーロン結晶に結晶にN2+イオン導入
イオン導入++
2. N2 + H2 → N2H + H 反応で反応でN2H+生成
3. 低速CHを照射し、反応速度を低速
反応速度を測定
3CNを

CH3CN + N2H+ → CH3CNH+ + N2

polar gas
low-field seekers→ 強電場で強電場で回転が回転が速くなり減速
くなり減速

Reaction-rate constant ofCH3CN + N2H+ → CH3CNH+ + N2
Example of decay curve
relative number of N2H+

Average reaction rate

γ = 2.0(2)×× 10-3 s-1(9 measurements)
Reaction rate constant (~3 K)
N = N 0 exp(− γ t )kexp =1.7(6)×× 10-8 (cm3 /s)

γ = 2.4(4)×10−3 s−1
050

100

150

200

K. Okada et al., PRA87, 043427 (2013)250

reaction time(s)24大谷先生の大谷先生の教え（と勝手に勝手に思っていること）っていること）“ごつい”
ごつい”研究をしなさい
研究をしなさい
研究者仲間（研究者仲間（年齢問わず
年齢問わず）わず）をたくさん持をたくさん持ちなさい
多くの人（学生、学生、研究者）
研究者）と協力して協力して何して何かを成し遂
げなさい（研究のみに研究のみに囚のみに囚われない）われない）広い視野をもちなさい
視野をもちなさい最後に最後に...
＜謝辞＞
謝辞＞
研究者となる研究者となる機会となる機会を機会を与えて頂えて頂いた大谷俊介
いた大谷俊介先生
大谷俊介先生に先生に感謝するとともに、するとともに、急逝された
急逝された先生
された先生のご先生のご冥福のご冥福をお冥福をお祈をお祈り申し上げます。
げます。

ご清聴ありがとうございました
清聴ありがとうございました．
ありがとうございました．