物理学教室年次研究報告2015 年度

大阪市立大学 大学院理学研究科・理学部
物理学教室

目次

序 ............................................................................................................................................... 12015 年度物理教室談話会 .................................................................................................. 2

研究報告
物性物理学講座 ................................................................................................................. 5
超低温物理学研究室 ..................................................................................................... 5
光物性物理学研究室 ................................................................................................... 10
生体・構造物性物理学研究室.................................................................................. 12
素励起物理学研究室 ................................................................................................... 16
電子相関物理学研究室............................................................................................... 22
レーザー量子物理学研究室 ...................................................................................... 27
宇宙・高エネルギー講座 .............................................................................................. 29
宇宙線物理学研究室 ................................................................................................... 29
高エネルギー物理学研究室 ...................................................................................... 36
重力波実験物理学研究室 .......................................................................................... 43
宇宙･素粒子実験物理学研究室 ............................................................................... 52
基礎物理学講座 ............................................................................................................... 58
素粒子論研究室 ......................................................................................................... 58
数理物理研究室 ......................................................................................................... 63
宇宙物理研究室 ......................................................................................................... 67
原子核理論研究室 ..................................................................................................... 71

序2015 年度版物理学科年次報告をお届けします。
今年度も、大きな人事異動がありました。まず、４人の優れた教員を我が物理学教室に迎えることができました。4 月に、基礎物理学講座に森山翔文氏、宇宙・高エネルギ
ー物理学講座に田越秀行氏、物性物理学講座に井上慎氏が着任されました。10 月には宇宙・高エネルギー物理学講座に常定芳基氏が着任されました。これらの方々のますま
すのご活躍を期待しています。一方、年度末に、宇宙・高エネルギー物理学講座の寺本
吉輝氏が定年退職されました。物理学教室の教育・研究に対する長年にわたるご貢献に深く感謝申し上げるとともに、今後のご活躍を祈念いたします。ここ 15 年ほど、大学全体の人員削減により、物理学教室では人員が減少する一方でした。今回このような形でメンバーが増えたことは非常に画期的で喜ばしいことです。
さて、現在、大阪市大と大阪府大の統合の検討が進んでいます。これがどのような形で着地するのか、まだ先は見えませんが、ここ数年以内に急ピッチで検討が進行するものと思われます。しかし、統合がどのような形になるにしろ、理学部、そして物理学科
は、総合大学の理系の教育・研究の根幹を担うという立場を堅持しなければなりません。
最近、大学改革に関連して、様々なカタカナ用語が飛び交っています。それらは一見斬新で耳ざわりが良さそうですが、果たして５年後、10 年後に生き残る概念がどうか不明です。一方、数学や物理学は、何百年にも渡って人類の発展を支えて来たのです。どちらが信頼に足るかは自明でしょう。
このようなことを外部に主張するためには実力が必要です。本学の物理学分野の立ち位置を示すデータとして、文部科学省の科学技術・学術政策研究所は、研究論文に着目した日本の大学のベンチマーキング 2015 を発表しました。
http://data.nistep.go.jp/dspace/handle/11035/3116
これによりますと、本学の物理学分野のアクティヴィティは、量的には旧帝大クラスに次ぐものの、質的にはそれらと同等であると結論づけられています。これは我々の物理学教室の現構成員の日頃の努力の賜物です。今後もより一層、アクティヴィティを高めていくことが求められます。
最後に本年度年次報告の作成にご尽力いただきました石原秀樹氏と鐘本勝一氏に感謝いたします。
2015 年度(平成 27 年度)物理学教室主任
坪田 誠

1

2015 年度	 物理学教室	
 談話会	
 談話会委員：丸、荻尾、小原	 	 第 1 回	
  新入生歓迎物理学教室談話会	
 	
 日時	
 2015 年 4 月 14 日	
 15:30〜	 	
 場所	
 学術情報総合センター10F	
 大会議室	
 
	
 講師	
 山本	
 和弘	
 氏(高エネルギー物理学研究室・准教授)	
 	
 題目	
 「ニュートリノから見える素粒子と宇宙」	
 	
 
第 2 回	
 物理学教室談話会	
 	
 日時	
 2015 年 5 月 13 日	
 15:00〜	 	
 場所	
 第 4 講義室	
 F205	
 
	
 講師	
 灰野	
 禎一	
 氏(台湾中央研究院・物理学研究所・)	
 	
 題目	
 「AMS(Alpha	
 Magnetic	
 Spectrometer)の最新結果」	
 	
 第 3 回	
 物理学教室談話会	
 	
 日時	
 2015 年 6 月 10 日	
 15:00〜	 	
 場所	
 学術情報総合センター1F	
 文化交流室	 	
 講師 1 森山	 翔文	 氏(数理物理研究室・准教授)
	
 題目 1	
 「チャーン・サイモンズ理論から M 理論へ」	
 	
 講師 2 田越	 秀行	 氏(重力波実験研究室・准教授)
	
 題目 2	
 「重力波による宇宙の観測」	
 	
 講師 3 井上	 慎	 氏(レーザー量子物理学研究室・教授)	
 題目 3	
 「光で創る低温の世界：冷却原子と冷却分子」	
 	
 
第 4 回	
 物理学教室談話会	
 	
 日時	
 2015 年 11 月 18 日	
 14:45〜	 	
 場所	
 学術情報総合センター1F	
 文化交流室	
 
	
 講師	
 常定	
 芳基	
 氏(宇宙線物理学研究室・准教授)
	 題目	
 「宇宙加速器を探せ:超高エネルギー宇宙線の起源に迫る」	
 
	
 
	
 

2

第 5 回	
 物理学教室談話会	
 	
 日時	
 2015 年 12 月 1 日	
 14:45〜	 	
 場所	
 理学部会議室	
 	
 
	
 講師	
 村岡	
 和幸	
 氏(大阪府立大学・助教)
	
 題目	
 「世界の果ての千里眼：究極の電波干渉計アルマ（ALMA）が切り拓く、	
 
	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
 新時代の天文学」
	 第 6 回	
 物理学教室談話会	
 	
 日時	
 2015 年 12 月 21 日	
 15:00〜	 	
 場所	
 第 6 講義室	 F214	 
	
 講師 梶野	 敏貴	
 氏(国立天文台・准教授)
	 題目	
 「元素に刻まれたニュートリノ振動の謎」	
 	
 第 7 回	 2015 年度	 物理学教室研究発表会	
 	 日時	
 2015 年 12 月 25 日	
 10:00〜	 	
 場所	
 学術情報総合センター10F	
 大会議室	 	 第 8 回	
 修士論文発表会	
 	
 日時	
 2016 年 2 月 5 日	 9:35〜	 	
 場所	
 学術情報総合センター1F	
 文化交流室	 	
 第 9 回	
 物理学教室談話会	 日時	
 2016 年 2 月 12 日	
 15:00〜	
 場所	
 高原記念館	
 学友ホール	
 
講師	
 神田	
 展行	
 氏	
 (重力波実験物理学研究室・教授)	
 
	
 	
 	
 	
 	
 田越	
 秀行	
 氏	
 (重力波実験物理学研究室・准教授)	
 	
 第 10 回	
 物理学教室談話会	 日時	
 2016 年 2 月 17 日	
 15:00〜	
 場所	
 第 10 講義室	
 
講師	
 大向	
 一行	
 氏	
 (東北大学	
 理学部	
 天文学教室・教授)	
 題目	
 「宇宙の初代星と巨大ブラックホールの起源」
	 3

第 11 回	
 物理学教室談話会	 日時	
 2016 年 3 月 25 日	
 16:30〜	
 場所	
 学術情報総合センター1F 文化交流室	
 
講師	
 寺本	
 吉輝	
 氏	
 (宇宙・素粒子実験物理学研究室・准教授)	
 題目	
 「経験談	
 –経歴に沿って」	
 
	
 
	
 

4

超低温物理学研究室
石川修六
矢野英雄
小原 顕
畑
徹

教 授
准教授
講 師
特任教授

木村 豊(D4)

相原安裕(M2)
千葉祐弥(M2)
大山勝義(M1)
小川耕平(M1)
平田拓也(M1)
野村直人(M1)

研究概要
1.

ＮＭＲ法によるエアロジェル中での超流動ヘリウム３の新奇界面現象の研究（石川、相原、野村）
エアロジェルと呼ばれる物質中では、エアロジェルの構成物であるシリカの細い紐が不純物として働き、液体ヘリウム３の超流動性が抑制される。圧力と温度を調整すると、バルク液体は超流動だが、エアロジェル中はノーマル液体とすることが出来る。バルク
液体とエアロジェルとの界面近傍に奇周波数クーパー対と呼ばれる新奇なクーパー対が現れ，これによって帯磁率が増大するという理論予想がある。接合界面での近接効果の一つであり、バルクの凝縮状態（超伝導、超流動）がｐ波軌道対称性をもつときに出現が予想されている普遍的な現象と考えられている。これを調べるためポロシティ97.5％の試料セルで実験を行い22bar、24barでは帯磁率の増大が観測された。実験では表面磁性の影響をなくすためにヘリウム4薄膜でエアロジェルを覆っているが、覆いが不十分な場合に低温で表面磁性が顕著になる可能性がある。帯磁率の増大が奇周波数対の出現であるかどうかを明らかにするために、薄膜の厚さを厚くして実験を行う予定であったが、トラブルのために測定まで至らなかった。

2.

超流動ヘリウム４の量子渦と量子乱流のダイナミクス（矢野、千葉、小川）
超流動ヘリウム４は、秩序変数が振幅と位相からなる最もシンプルな量子凝縮相である。その流れが作る渦は、秩序変数が零の状態を芯として、循環が量子化される量子渦となる。量子渦は、端がない渦輪か端が境界(壁)にある付着渦としてのみ存在するため、渦が付着する壁を振動させると、壁に沿って流れる超流動流で渦が伸張し、量子乱流へと発展する。我々は、振動物体が生成する量子乱流の形成過程を、乱流から放出される
渦輪の性質を調べることによって、研究している。渦輪の放出頻度が、乱流生成開始からある時間がたつと、急に変化することを明らかにした。この結果は、振動物体によって生成される量子渦が再結合によってタングル状態になり、渦タングルが平衡状態まで成長することを示唆している。これは古典乱流には無い量子乱流に特有の現象で、似たような現象は超流動ヘリウム３でも報告されている。

3.

低温モーターの開発と超流動ヘリウム４の回転流（矢野、小原、大山）
流体力学は、粘性のない理想流体の流れを基礎とし、その渦についても詳しく調べられている。一方、粘性のない流体を実現する超流動ヘリウムは、その流れを作ることが難しく、理想流体の流れを実験的に研究する方法が限られている。これまでに研究されてきた超流動ヘリウムの流れは、容器を回転し回転流を駆動する方法や、常流体と超流体の２流体の性質を利用する熱対向流や噴水効果による流れの駆動にとどまっている。
我々は、超流動ヘリウム中でも回転する低温モーターを開発することで、超流動流の新
たな研究分野開拓をめざしている。低温で回転するモーターとして発熱が抑えられるＤ
Ｃモーターを採用し、低温において、①回転軸のベアリングの動作、②回転子の位置情

5報検出、③フェライトコアの性質など、３つの問題点を明らかにした。我々は、これらを解決することで低温での動作可能なモーターを開発し、超流動ヘリウム４回転流を駆動することに成功した。この装置によって超流動に駆動される流れや渦の研究を行っている。
4.

回転する超流動ヘリウム３の研究（物性研，京大，福井大，岡山大との共同研究）（石川、小原、木村）
超流動ヘリウム３− A相での半整数量子渦の検出実験を行った。半整数渦の検出はNMR法で行った。半整数渦芯は非常に細いので、この芯部分でのスピン波励起は観測不可能と考えて、磁場を傾けることによって得られる半整数渦の周りの比較的広範囲な非一様テクスチャー構造におけるスピン波励起を検出する準備を行った。垂直向きの主磁場に直交する互いに直交する２つの横向き磁場を作るためのマグネットの作成およびリード
線の改良を行った。磁場を傾けた実験より、主磁場が垂直方向より傾いていることがわかった。まだ半整数渦の存在を示す兆候は得られていない。共同研究の理論研究者より
半整数渦の存在による新たなスピン波励起状態と半整数渦の安定性に関する提案があった。半整数渦実現の条件は高磁場下で超流動転移温度を通過させることである。高磁場下で、超流動転移温度を通過させ、低磁場でNMRを行う測定を行ったが、半整数渦の兆候はつかめなかった。

5. 毛細管中の超流動ヘリウム３のポーラー相探索（小原、平田）
コヒーレンス長の10倍程度(約 1 m)の太さの毛細管中の超流動3Heでは、クーパー対の運動がほとんど１次元的に制限されることで、バルクとは決定的に異なる特異な相の出現
しうることが、古くから予言されていた。しかし、これまで実験上の困難から、その測定はほとんど行われてこなかった。すなわち、直径約 1 mで均一で長い構造体が存在しなかったこと、相の同定に必要なNMRの信号強度が極小であることが解っていたからである。今年度初頭、毛細管の選定に成功したので、ポーラー相探索をスタートさせることになった。次のステップは、NMR信号強度を増幅させる低温アンプの制作である。NMR用
低温アンプに求められる性能は、高入力インピーダンス・低出力インピーダンス・MHz
帯動作・低発熱である。
6. 熱音響冷凍機の開発（石川）熱音響冷凍機は、熱エネルギーと音波エネルギーの変換を利用した冷凍機をさす。廃熱の再利用ができること、音波媒体は空気などの安全な気体であること、機械的な可動部がないことなどから、長寿命で環境にやさしい未来型の冷凍機（エアコン）として期待されているが、エネルギー変換効率が低く、実際に利用できるレベルには来ていなかった。今年度はループ管に設置した２つのセンサーにより圧力時間変動を測定し、これより、モデルに基づいた仕事流を求めた。作業流体として、窒素、ヘリウムと窒素の混合気体、アルゴンとヘリウムの混合気体を用いて、原動機での仕事流の増加と冷凍機での仕事流の減少を定量的に測定できた。このとき原動機側熱流を一定に保ち、発振周波数をほぼ同一にした測定を行った。この結果、周波数と熱緩和時間の積は良い指標を与えることがわかり、これが１に近づくにつれて原動機側と冷凍機側での仕事流の変化は増大することがわかった。最も仕事流変化が大きいときに、室温11.5℃に対して冷凍機
では-23℃の温度まで冷却することに成功した。温度差は約35℃であった。
7. 光ハイドロフォンの低温応用（小原）液体ヘリウムの局所的な音場の絶対値をリアルタイムに測定できる新しい測定方法として、「光ハイドロフォン」の低温への応用に取り組み始めた。ハイドロフォンとは流体の振動圧力を計測するシステムの総称で、一般的にはピエゾ振動子か小型のコンデン

6

サマイクロフォンを利用するが、低温では感度と周波数依存性が顕著に表れてしまうた
め、限られた用途でしか使うことができない。光ハイドロフォンの原理は「フレネルの反射損失」とよばれ、屈折率の異なる光媒質での反射光強度が屈折率の関数で与えられることを利用する。具体的には端面を９０°に切った光ファイバを液体に差し込み、レーザーを照射する。光学システムは全て光ファイバとファイバカプラを用いて構築され、光は光検出素子を除いて自由空間に出ることがないため、既存の冷凍機に新たに追加する形で導入することができる利点がある。また、周波数依存性は回路定数にのみ依存するため、調整が容易である。反射強度から屈折率、屈折率から密度、密度から状態方程式を用いて圧力に変換できる。また、液体ヘリウムに限らず、幅広い温度で液体・固体に適用できる応用性の高い技術である。昨年度、液体ヘリウム４の静的密度測定に成功したが、ノイズが存在することがわかった。そこで、今年度は氷点冷却アンプの製作と光量帰還法による光量の安定化を導入し、ノイズの低減を図った。この技術は、液体中の局所動的圧力や速度の計測を可能とし、低温流体力学へ新たな知見を提供することになるだろう。
8. 狭い平行平板間の超流動ヘリウム３の音響共鳴（小原、石川、加藤）
磁場下の狭い平行平板間に閉じ込められた超流動3Heの音波共鳴実験を行い、秩序変数の空間変化を制御して、エネルギーギャップの異方性を調べた。３種類の平行平板間 (間隔が12μm、25μm、50μm) を持つ共鳴装置を作製し、圧力29barでの音速測定を行った
ところ、すべての平板でAB転移に伴う音速の「とび」を観測し、この「とび」がエネル
ギーギャップの空間変化に対応していることをつきとめた。また全ての間隔において、磁場（30mT）下でのB相状態の音速が小さくなることを発見した。この磁場はエネルギーギャップを変形させるには小さいので、ギャップの変化が音速の変化を引き起こしたのではない。常流体成分の運動も考慮し、スリップ長の変化が磁場によって引き起こされることを見出した。この結果は、磁場がないときには、バルク液体の対称性によってトポロジカルに守られているエッジ状態（マヨラナ準粒子状態）が、磁場によって存在しなくなることに対応すると考えられる。
9.

寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原、石川）
振動レス、超小型の分離型ドライ希釈冷凍機開発を行った結果、直結型に比べ、振動を一桁小さくすることに成功した。商品化を見据えて、使用するヘリウム３の量を少なくするために、熱交換器の再設計、ターボ分子ポンプ小型化のための工夫、１Ｋポット方式の検討を行った。設計に時間がかかり一部の試行は出来ていない。

教育・研究業績
国際会議講演International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2015), Conference Event Center,
Niagara Falls, NY, USA (9–15 Aug. 2015)
1. H. Yano (Poster): Power dependence of vortex emissions generated by vibrating wire insuperfluid 4He at finite temperatures
2. H. Yano (Poster): Observation of superfluid 4He flow induced by cryogenic motor
Physics of Interfaces and Layered Structure, Nordic Institute for Theoretical Physics, Stockholm,
Sweden (8–13 Sep. 2015)
1. O. Ishikawa (Talk): Novel proximity effect at edge of topological superfluid 3He-B phase
学会・研究会講演
1. 木村豊（Talk）：「超流動ヘリウム3-A相における磁場下での半整数量子渦Ⅲ」，日本物理学会2015年秋季大会（関西大学，2015年9月16日～19日）

7

2.

矢野英雄（Talk）：「液体ヘリウム中で動作する低温モーターの開発」，日本物理学会
2015年秋季大会（関西大学，2015年9月16日～19日）
3. 大山勝義（Talk）：「モーター駆動による超流動ヘリウム4回転流の観測」，日本物理学会2015年秋季大会（関西大学，2015年9月16日～19日）
4. 石川修六（Talk）：「トポロジカル超流動３Heのヘリカル対称性・カイラル対称性」（シンポジウム「ヘリシティ」），日本物理学会第71回年次大会（東北学院大学，2016年3月
19日～22日）
5. 矢野英雄（Talk）：「運動物体が誘発する量子乱流」（シンポジウム「量子乱流が拓く
新しい乱流科学」），日本物理学会第71回年次大会（東北学院大学，2016年3月19日～22日）
6. 大山勝義（Talk）：「モーター駆動による超流動4He回転流の観測Ⅱ」，日本物理学会第71回年次大会（東北学院大学，2016年3月19日～22日）
7. 小川耕平（Talk）：「渦環放出から見た振動ワイヤーによる量子乱流生成機構」，日本物理学会第71回年次大会（東北学院大学，2016年3月19日～22日）
8. 石川修六（Talk）：「Observation of odd frequency pairing of 3He in aerogel contacting superfluid
3
He-B phase」，新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」第1回領域研究会（京大紫蘭会館，2015年12月11日～13日）
9. 矢野英雄（Talk）：「振動物体が生成する超流動乱流」，物性研究所短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」（東京大学物性研究所，2016年1月5日～7日）
10. 千葉祐弥（Poster）：「振動ワイヤーが生成する量子乱流の渦放出と渦環サイズ」，物性研究所短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」（東京大学物性研究所，2016年1月5日～7日）
11. 大山勝義（Poster）：「モーター駆動による超流動4He回転流の観測」，物性研究所短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」（東京大学物性研究所，2016年1月5日～7日）

学位論文
修士論文
1. 相原安裕：「超流動3He-Bに接するエアロジェル界面での奇周波数クーパー対の検出」
2. 千葉祐弥：「振動ワイヤーによる超流動4He量子乱流の生成機構」

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.
5.

石川修六：アルバック・クライオ株式会社、「希釈冷凍機の開発」
２１６万円
石川修六：株式会社ジェイテクト、「熱音響冷却システムの研究」
６０万円
矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（B）「超流動ヘリウム流れ場における量子渦の運動状態の研究」２０１５年度分 ８８４万円
矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費挑戦的萌芽研究「超流動ヘリウムの定常流を駆動するポンプの開発」 ２０１５年度分 １３０万円
小原 顕：日本学術振興会・科学研究費挑戦的萌芽研究「液体用光学式マイクロピトー管の開発」
２０１５年度分 １００万円

海外出張および海外研修
1.
2.

矢野英雄：International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2015), August 9-15,
2015, Conference Event Center, Niagara Falls, NY, USA, 出席・発表
石川修六：Physics of Interfaces and Layered Structure, September 8-13, 2015, Nordic Institutefor Theoretical Physics, Stockholm, Sweden, 出席・発表

8

その他
高大連携
1. 大阪府立大手前高校

SSH事業

サイエンス探求発表会（小原）ｘ２

地域貢献
1. 畑・石川・小原：低温工学関西支部基礎技術講習会 (8/26～28)9光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

岡田 優(M2)
畑中 秀人 (B4)中嶋 敬幸 (M2)高槻 大地 (B4)

研究概要
1. ポリマーダイオードにおける電気容量の磁場効果（中嶋、鐘本）
これまで、情報の記憶やセンシングデバイスへの応用に向けて、電気容量の磁場効果が注目されてきた。本研究では、空気処理によりトラップを導入することで、ダイオードの素子電流を減少させ、その電気容量の磁場効果を検証した。その結果として、光照射下において、ダイオードの電気容量が磁場強度とともに変化することを明らかにした。これは空気処理トラップにより磁気効果が発現することを示した初めての結果である。さらに、
そのダイオードでは、ESR遷移の際に電気容量が変化することも明らかにした。その変化
は0.15%程度であったものの、従来に報告された値に比べて２－３桁大きい、最大の変化であった。
2. ポリマーLEDの動作環境下におけるスクリーニング電場の決定（鐘本)
有機半導体素子の多くは電場で駆動されるため、素子内部の電場の役割を解明することは非常に重要である。これまで内部電場の見積もりでは、電場の二乗に比例するStark
信号がよく利用されてきた。その方法では、素子への印加変調電圧と組み合わせたロックイン技術が通常用いられるが、その場合、内部電場が印加電圧に比例することが暗に仮定されている。しかしながら実際は、注入キャリヤによるスクリーニング効果が発生する場合比例関係が崩れるため、その方法は使えない。本研究では、ロックイン技術を用いずに、電場の二乗に比例する微小なStark信号を直接計測し、その結果から、電荷注入領域でのスクリーニング電場の決定を試みた。MEH-PPVのLEDに対し、三角型の変調
電圧を印加し、その際の分光信号を直接オシロスコープ測定した。その結果として、電場が非電荷注入領域は基より、スクリーニング領域でも電場が決定できることがわかった。これは初めての例であり、本手法は新しい内部電場計測法として利用できると期待される。
3. 色素増感太陽電池における分光を利用した動作モニタリング（高槻、鐘本)
色素増感太陽電池(DSC)は、次世代太陽電池として最も注目されている太陽電池の一つであるが、耐久性と変換効率に課題があり、その課題解決のためには、キャリヤレベルのミクロな観点からの研究が望まれる。本研究では、作成したDSCに対し、励起光に連続光を用い、さらに電圧印加と組み合わせることで、実際の素子動作環境をモニタリングする
分光計測システムの実現を目指した。DSCの構成要素である色素、酸化チタンのスペクト
ルの検証を行い、発生光電流及び光起電力測定と同期して分光計測を行うことに成功した。
本システムを利用することで、今後太陽電池動作を阻害する機構の起源を明らかにできると期待される。
4. 有機半導体デバイスの動作過程をモニタする電子スピン共鳴システムの実現（畑中、鐘本)
有機ELや有機薄膜太陽電池などの有機半導体デバイスの動作においては、電子正孔対が発生することが予想されているが、その観測実験手法はなく、素子動作機構の理解を困難にしている。本研究では、そのペア状態の振る舞いを選択的に調べることを目的として、電圧印加下での発光（EL）並びに電流の電子スピン共鳴（ESR）時の応答に着目し、その信号起源の解明に取り組んだ。その結果、ポリマーLEDには２つのタイプが存

10

在し、ESR応答により、電流が増加する成分と減少する成分が存在することがわかった。
特に電流が増加する成分においては、電圧印加下においても電子正孔対のままでとどまり、電場によるアシストで初めてELを発生させることが明らかとなった。このような過程の存在はこれまで想定されておらず、新しい成果である。

教育・研究業績
学術論文
1. Takahiro Takahashi, Katsuichi Kanemoto, Mariko Kanenobu, Yuta Okawauchi, Hideki
Hashimoto, “Direct monitoring of bias-dependent variations in the exciton formation ratio ofworking organic light emitting diodes.”, Scientific Reports, 5, 15533-1-9 (2015).
2. Katsuichi Kanemoto, Takayuki Nakajima, “Displacement Current Induced by Electron Spin
Resonance in Organic Semiconductor” Molecular Crystals and Liquid Crystals, 622, pp.129-133(2015).
国際会議講演1. K. Kanemoto and T. Nakajima, “Capacitance Variation Induced by Electron Spin Resonance in
Organic Semiconductors.”, 3rd Awaji International Workshop on “Electron Spin Science &Technology (AWEST), Awaji International Conference Center, Awaji Island, Japan. Jun 14-17,
2015. (Invited)
2. K. Kanemoto and T. Nakajima, “Capacitance-Variation Induced by Electron Spin Resonance in
Organic Semiconductors”, The 9th Japanese-Russian International Workshop on Open Shell
Compounds and Molecular Spin Devices, Awaji International Conference Center, Awaji Island,
Japan. November 8-11, 2015. (Invited)
学会・研究会講演1. 鐘本勝一, 高橋崇寛,「ポリマーLED内部におけるスクリーニング電場のStark信号による決定」第76回応用物理学会秋季学術講演会，名古屋国際会議場（2015.9.13-16）
2. 中嶋敬幸, 鐘本勝一「電子スピン共鳴によって誘起されるポリマーダイオードの電気容量変化」日本物理学会2015年秋季大会，関西大学（2015.9.16-19）
3. 鐘本勝一, 高橋崇寛,「ポリマーLEDの動作環境下におけるスクリーニング電場の決定」
日本物理学会2015年秋季大会，関西大学（2015.9.16-19）

学位論文
修士論文
1. 中嶋敬幸：「電子スピン共鳴により誘起される有機半導体の磁気キャパシタンス効果」

研究助成金取得状況
1. 鐘本勝一（代表）科学研究費補助金、基盤研究（B）「電子スピン共鳴電流を利用した新規有機スピンデバイスの開発と基盤技術の創生」260万円
2. 鐘本勝一（代表）科学研究費補助金、挑戦的萌芽研究 「分光及びESR技術の併用による有機FETの動作ダイナミクス観測の実現」80万円

その他
高大連携・地域貢献
1. オープンキャンパス・理科セミナーにて高校生向け実験講義を担当（鐘本）2. 大阪市立科学館の企画展「光とあかり」にて研究内容展示（鐘本）11生体・構造物性研究室
南後 守
杉﨑 満

特任教授
准教授

西口 智也
船越 良平
亀岡 俊也
江村 秀俊

(M2)
(M2)
(B4)
(B4)

研究概要

Time (fs)

1. カロテノイドにおける振動ダイナミクスの溶媒効果（船越，杉﨑）
紅色光合成細菌における光合成の初期過程では，カロテノイドからバクテリオクロロフィルへ超高速（200 fs），かつ高効率（100 %）に励起エネルギー移動が行われている．エネルギー移動の効率は，電子および振動の緩和速度とエネルギー移動速度の比に大きく依存する．そのため，振動緩和の効率を決める要因が明らかになれば，エネルギー伝達の効率もコントロールすることが可能になるものと期待される．しかし，振動緩和の時定数をコントロールする手法については，電子の基底状態についても明らかとなっていない．そこで光合成色素であるスフェロイデンのラマン散乱の溶媒効果を測定し，振動緩和のダイナミクスについて考察を行った．
昨年までの研究により，カロテノイドにおける振動の緩和時定数を決める要因として溶媒の粘性が関与していると考えられる結果
を，ラマン散乱スペクトルの溶媒効果から得ている．そこで，サブWavenumber (cm-1)
20fsパルスを用いたコヒーレント実時間分子振動ダイナミクスの溶媒効果についても調査を行った．ウェーブレット解析を行い，ラマン散乱測定で予想されるよりも速い緩和を起こしていることが明らかとなった．同様の現象は無機物において報告がなされているが，今後，観測時間領域を広げた研究が必要である（論文[1]）．
2. 非線形分光法を用いたカロテノイドの超高速光学応答に関する動向の調査（杉﨑）
光合成系において，カロテノイド色素は青からオレンジの広いスペクトル領域の光捕集に加え，余剰エネルギーの消去を行う．最近10年ほどの超短パルス光発生技術の進歩により，フェムト秒の時間分解能でカロテノイドやその励起エネルギーの受容体であるクロロ
フィルの励起ダイナミクスを観測することが可能となり，光合成の初期過程の詳細が知られるようになった．しかしその一方で，測定技術の複雑化により，検出された信号の解析
方法や解釈に物理的な専門知識を必要とする場面が多々発生するようになってきている．
そこで近年，新しく知られるようになってきた分光法をカロテノイドに適応された例とその解釈について総説を作成した．ここでは特に，誘導ラマン分光法や二光子分光法により明らかとなった，隠れた励起状態の存在に加え，励起状態間や振電状態に見られるコヒーレンスに関する解説を行った．図のように，カロテノイドは目視においても簡単にFWM
信号やSWM信号を確認することが出来る．このことは，カロテノイドが非線形光学応答を研究する上で非常に適していることを示している．コヒーレンスに関する情報は，FWM
信号測定を基本とした光学配置を用いて応答電場の時間発展を観測することによって得られる．このような手法を用いることにより，振動モード間の相関や励起エネルギー伝達
における役割が明らかになる．また，励起状態分子振動コヒーレンスの寿命は，基底状態のそれに比べて約1桁小さいと考えられるようになった．

12分子振動の準位を電子系に拡張すれ
ば，電子状態間におけるコヒーレンスが存在し得ることが容易に予想される．しかしながら，電子状態間のコヒーレント
状態の観測自体が超高速分光分野における最新のトピックスであるため，カロテノイドにおける電子状態間のコヒーレンスに関する報告はほとんどなされて い な い の が 現 状 で あ る ． FennaMatthew-Olson (FMO) BChl複合体において，非常に長寿命（>660 fs）の励起子状
態間のコヒーレントな結合が観測されている．このような長寿命の励起状態間のコヒーレンスが観測されたということは，FMO
BChl複合体における励起エネルギーの伝達は，色素間を逐次ジャンプしていくという古典的描像ではなく，量子力学的な状態間の重ね合わせによって解釈される．今後，光捕集ア
ンテナとして機能しているカロテノイドにおいて同様なコヒーレントな現象が寄与して
いるかについて，特に励起エネルギーの失活やその伝達速度との関係に注意しながら詳しく調べていく必要がある（論文[2]）．
3. クロロフィルにおける実時間分子振動の観測とそのコントロール（杉﨑）クロロフィルは天然の光合成光捕集アンテナにおけるエネルギー伝達や反応中心における電荷分離反応を起こすために必要とされる．多くの物質で見られるように，励起エネルギーの散逸には，分子振動が深く関与しているものと予想されるが，クロロフィルはその複雑な構造を反映して非常に多くの振動モードを持つことが，従来のラマン振動分光により知られている．励起エネルギーと振動ダイナミクスの関係を調べるために3パルス縮退四光波信号の観測を行った．
その結果，クロロフィルの電子コヒーレンス寿命が数10fs程度であることがわかった．得られた信号からコ
ヒーレント分子振動の成分のみを抽出し，フーリエス
ペクトルに変換してみると，その形状が励起パルスの間隔により大きく変化していることを見出した．すな
わち本研究により，特定の振動モードのみを選択的に励起することが可能であることが明らかになった（論文[3]）．
4. 可視超短パルス光の位相制御（西口，亀岡，杉﨑）
近年の超短パルス光発生技術の進歩により，分子振動をインパルス的に励起することが可能となった．生体機能が発現する際に，分子間の弱い結合が発生するということが知られているが，その時間スケールで重要となるのは分子振動の周期や位相緩和時間である．
これにより，分子間の励起エネルギー移動が可能となる．光を用いて分子間の励起エネル
ギー伝達の効率や経路を人為的に操作するためには，分子振動の時間スケールで波形を成型することが必要となってくることが予想される．そのため本年度は，超短パルス光の波形成型器の試作を開始した．反射型の位相変調器を用いて4f光学系を作成し，基本的な動作を確認した．

13

5. 超解像度顕微鏡の開発（船越，江村，杉﨑）
2014年度のノーベル化学賞は，従来の光学顕微鏡よりも10倍以上も高い（すなわち，原子スケールに迫る）空間分解能にて蛍光顕微画像を取得する方法（超解像度顕微鏡法）を開発した功績を称えたものである．太陽エネルギーの有効利用法の獲得を目指し，超解像度顕微鏡法を用いた光合成の初期過程の実時間・実空間観測の実現に向けた研究を開始した．そのため特に，クロロフィルの信号観測に適したものになるように装置を構築した．
予備実験として，標準的なローダミン色素を用いて，超解像度顕微画像の取得を行い装置の評価を行った．クロロフィルの信号は近赤外域に現れるため，顕微鏡観測の際に，通常の可視光の領域よりも空間分解能が悪くなってしまうという原理的な問題が生じる．クロ
ロフィルの波長領域における空間分解能の理論的な限界が約330nmと見積もられることに対し，構築した顕微鏡においては，可視域の理論限界をも超えた約150nmという空間分解能を達成することができた．
実際に試料を観測する際に実空間上での画像解析を行うだけではなく，空間的なスペクトル（の時間変化）を観測することにより，電子励起によるエネルギー伝達の様子の詳細が解明されることとなる．単離したクロロフィルを有機溶媒や高分子に分散させた試料を用いて顕微画像とスペクトルの観測を行った結果，いくつかの分子が会合していることが分かった．一分子レベルの観測にはまだ成功していなが，これを実現するためには，バックグラウンドノイズを減らす必要があることが分かったため，試料調整法と光学配置の両方の改良を引き続き行っている．

教育・研究業績
学術論文
1. N. Tonouchi, D. Kosumi, M. Sugisaki, M. Nango, and H. Hashimoto, "How do surrounding
environments influence the electronic and vibrational properties of spheroidene?," Photosynth. Res.,
124 (2015) 77-86.
2. H. Hashimoto, M. Sugisaki, and M. Yoshizawa, "Ultrafast time-resolved vibrational spectroscopies ofcarotenoids in photosynthesis," Biochim. Biophys. Acta, Bioenergetics, 1847 (2015) 69-78.
3. D. Kosumi, T. Nishiguchi, M. Sugisaki, and H. Hashimoto, "Ultrafast coherent spectroscopic
investigation on photosynthetic pigment chlorophyll a utilizing 20 fs pulses," J. Photochem. Photobiol.
A: Chem., 313 (2015) 72-78.
4. D. Kosumi, T. Horibe, M. Sugisaki, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, "Photoprotection mechanism oflight-harvesting antenna complex from purple bacteria," J. Phys. Chem. B, 120 (2016) 951-956.

学会・研究会講演
1. 小澄大輔，堀部智子，杉﨑満，R.J. Cogdell，橋本秀樹，「極超短光パルスを用いた紅色細菌光合成アンテナにおける量子コヒーレンスの観測」，光合成セミナー2015，龍谷大学大宮キャンパス，2015 年 7 月 11 日～12 日．
2. 小澄大輔，西口智也，杉﨑満，橋本秀樹，「光合成色素 Chl a における 4 光波混合法を用いた実時間振動分光」，光合成セミナー2015，龍谷大学大宮キャンパス，2015 年 7 月 11 日～12 日．
3. 船越良平，殿内規之，小澄大輔，杉﨑満，南後守，橋本秀樹，「スフェロイデンにおける振動緩和の溶媒効果」，日本物理学会第 70 回年次大会，早稲田大学 早稲田キャンパス，2015 年 3 月 21 日～
24 日．
著書
1. D. Kosumi, S. Maruta, R. Fujii, M. Sugisaki, S. Takaichi, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, "Aregulation of energy flow in purple bacterial photosynthetic antennas," Ultrafast Phenomena XIX,
Springer proceedings in Physics, 162, (2015) 572-575.
2. D. Kosumi, T. Kajikawa, S. Okumura, K. Yano, M. Sugisaki, K. Sakaguchi, S. Katsumura,, and H.

14

Hashimoto, "Elucidation and control ultrafast intramolecular charge transfer dynamics of marine
photosynthetic pigments," Ultrafast Phenomena XIX, Springer proceedings in Physics, 162, (2015)576-579.

学位論文
修士論文
1. 西口智也：「カロテノイド-クロロフィル人工光合成アンテナの励起ダイナミクス」．
2. 船越良平：「光合成初期過程の解明に向けたコヒーレント振動の溶媒効果と超解像顕微鏡」．

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.

杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「3パルス超解像度顕微鏡の開発とそれを用いた光合成
初期過程の可視化」680万円．
杉﨑満：学術振興会・挑戦的萌芽研究「透過型超解像度顕微鏡の開発とそれを用いた光合成初期過程の可視化」50万円．
杉﨑満：大阪市立大学戦略的研究費「時空間極限における物質探索を可能にする革新的
超解像度顕微鏡技術の開発」150万円．
杉﨑満：住友電工グループ社会貢献基金「時間分解超解像度顕微鏡技術の開発」90万円．

その他
1.
2.

杉﨑満：光化学討論会2015，実行委員会委員．
杉﨑満：International Journal of Photochemistry誌，Advisory Board Member．

15素励起物理学研究室

PHYSICAL REVIEW B 92, 224513 (2015)

FUJIMOTO, AND MAKOTO TSUBOTA

4-2

LL (10cm)−2 )
(104cm

(b)

1.4
1.2
1
0.8

研究概要

(a) t/τ = 0

1.9 K, 0.9 cm/s
1.6 K, 0.9 cm/s
1.6 K, 1.1 cm/s(b) t/τ = 9000

0.016) [21]. The initial state consisted of eight randomly
oriented vortex rings of radius 0.023 cm [22]. The simulation
was finalized at t = 3.0 × 10 s.

PH
1.000

0.60

0.995
0.990
0.985
0.980

Fx /ρ̄

0.975
0.970

III. RESULTS

0.6
0.4

藤本 和也(D3)臼井 彩香(M2)
湯井 悟志(M2)
DIRECT AND INVERSE CASCADESOF SPIN-WAVE...
井川真一(M1)

V

誠
教授
宏光 講師

f

坪田
竹内

0

9000

18000

t/τ

SHINICHI IKAWA AND MAKOTO TSUBOTA
The quantized vortex tangle in the purenormal flow

−0.60

L [1/cm2]

L [1/cm ]1. 強磁性スピノールBose-Einstein
凝縮体(BEC)におけるスピン波乱流（坪田，藤本）
0.2
develops to a statisticallysteady state.
Figure1(b)(c) t/τ
= 19000&8000shows (d) t/τ = 19000(a)0
近年、原子気体BECにおける量子乱流の研究を行って来てthetime
evolutionofthevortexline
densityL=
L dξ/',
0
5 10 15 20 25 30
7000
where
'
is
the
whole
volume.
Themeanvelocityof the
いるが，今年度は、
スピン１強磁性スピン波の乱流(右図)
t
(s)
t (s)
normal fluid is v n = 0.9 cm/s at Ty = 1.9 K, and 6000v n = 0.9の理論的および数値的研究を行った。波乱流の理論を、ス
5000of vn
and 1.1 cm/s at T = 1.6 K, where v n is the valuea) Schematics of simulation of pure norピン１のGross-Pitaevskii方程式に適用し、波数空間におaveragedoverthechannelcross
section.
The
value
4000of L
component flows along the x axis with azdevelops from the initial state and then fluctuates aroundaywo parallel plates, whereasいて順方向および逆方向のカスケード過程に特徴的なス
the superfluidx
3000
constant value. This means that QT 次いで、
is in a statisticallysteadyflow. The periodic boundary
condition is
ペクトルのベキ則を解析的に見いだした。
それを2000
state. The statistically steady value of L increasesxwith T andons and solid boundary condition to the y
検証すべくGross-Pitaevskii方程式の数値解析を行い、解1000
v n because of a stronger mutual friction.
An inhomogeneous
nsity as a function of t under pure normal
0 of the 5spin-density
10 vector15
20
FIG. 1. Time development
F in SWT
析計算を支持する結果を得た。
stically steady state.
vortex tangle appears in this statisticallyFigure2 the spatialt distribution
for thesteady
inversestate.
cascade.
We plotof Fx at[s]t [s]shows the configurations of the quantizedvorticesin(c)thet/τ = (a) 0,(b)(b)9000,0.95
and
19 000. (d) is the spatial profile of F

PHYS

FIG. 3. Time developm
amplitude, ⟨| f |⟩V , and (bvariable,⟨|a|2 ⟩V , which sat(a)variables, and (iii) the weIµsd and spin-velocity inte
To confirm (i), the amis calculated; it should be
Figure 3(a) shows the tim
and indicates that the sys
state. For (ii), we calcula(c)variables
defined by E
spatially averaged value
in Fig. 3(b). To check (iicorresponding to (c). The size of the figures is 256ξ × 256ξ . Thesea1

的なダイナミクスを見いだした。今年! t ! 1.0 s.

Γ/Γ0vsx /v0IAµ (k)LOGARITHMIC VELOCITY PROFILE
OF=QUANT
given by the Biot-Savart
law 4He量子乱流の対数型速度分布(坪田，湯井、藤本)
2. 超流動0.9 structure appears as time passes, which△kfigures show that a largerk−△!
reflects the inverse cascade.
(s1 − r) × d s1 数年前までの超流動4Heの量子乱流の
γ
0.85
T
=
1.9
K,
v
=
0.9
cm/s
n
with a = s, ss, sd, and s
,
(3)
4π L
|s1 − r|3
数値計算は、一様系を想定して行われRW the wave-number region
the numerical results fo
0.8 near kξ = 0.4, whose wavelength
FIG. 3. Snapshots of the tiscomparable
tothecharacteristic
size
of
F
in
Fig.
1(a).
−5/3
power law appearx
2ていた。しかし、近年の可視化実験のin the first stage viewed alongm /s is the quantum of
circulation
RL In the early stage of0.75
the dynamics, the inverse cascade leads
show
that(a)the
1.2 cm/s):
t = spin-dens
0 s, (b) t =(s)ormed along the filament.
This paper
影響を受けて、管内流れの研究が行わ
to the growth of Cxyin the wave-number region lower thaninteraction Iµsv are sl
0.7
ssavart integral [13]. The velocity field= 0.4, and the −5/3 power law appears only in the region
interaction
Iµ in thetraces on it, increasing
the s
れるようになった。我々は昨年、正方 RC kξ
0.65
near kξ = 0.4. As sufficient
time passes, the scaling region
ple procedure; it is the field produced
summary,
our calculatio
second mechanism
is “spre0
515with the −5/3 power law
becomes
wide 10and finallyreaches20 (i),becomeon theHow
attr(ii), denseand (iii).
constructed by reflecting形管内の熱対向流に対して量子渦糸the filamentt [s]with Eq. (36) formakes them spreadtoward t
0.08
!
kξ
!
0.6.
This
behavior
isconsistentspin-velocity
interaction
ersing its direction. Theモデルの数値計算を行い、非一様量子dynamics at
RL
Thenottwosufficiently
mechanisms increa
the inverse cascade
predicted by WWT theory.
do
undeFIG. 1. Time development of the VLD (a) and the anisotropic
des the mutual friction;乱流の構造(量子乱流境界層)と特徴
the velocity
reconnections occur much
RW
To investigate
ourforSWT
in Kdetail,wev̄ scheck
whetherandvelocity does not dis) = 1.2 cm/s.
Inset inor(a)parameter (b)T = 1.85
and v̄ n (=stage, the VLD increases m
nt is given byy/D
not our approximations
used to ofderiveEq.in (36)areearly
satisfied.
shows the time development
the VLDthe verystage, 0 s
In comparison with Ay

stage. Because the two me(s)
Cxy(k)/ρ̄2 ξ

The important approximations are (i) the assumption ofregionhigherkξ ∼anisotropy,
thethananisotropyv s ) − α ′ s′ × [s′ × (v n −v s )], (4)T = 1.6 K, v n = 1.1 cm/s a ferromagnetic state, (ii) the smallness
FIG. 3. of(Coloronline) (a) Flowcompon度は、乱流境界層に特徴的な統計則に注目した。古典乱流境界層では、平均した速度場がthe canonicalofthedirection
canonical
althoughthe VLDvariable
continue
RW
these vortices repeat the processuntil they
are平行平板間のtrappedby athefunction
distance
superfluid
velocityv s asregion ofkξthe! 0.15,the symperature-dependent coefficientsand固体壁からの距離の対数関数になる(対数型速度分布)ことが知られている。
attractor. Figure 2 shows a wall.
typicalThesnapshotof the second
stage. term to
B. wherAttra
is y/Dlarger=thanthatchannelwall corresponds0,RLor along the filament.
Most vortices are localized in the attractor, and a few vortices becomes invalid. Actuall
常流動流れに対して量子乱流の構造を調べ(上左図：常流体は左から右へ流れている)、量0In=theprevious
section−5/3
ofktoward
the channel
corresponds
to
y/D
1.
The
solid
line
ess pure normal flow [10]. As shown
10protrude from the attractor
the walls. In the second
localized
in disturbed,
a cylindricaltocm/s.
be
as
=
1.1
(b)
Anot
ofmechanisms
Eq. (6) forthat
T slowly= 1.6increase
K and v nseems
stage, there are mainly two
fluid component flows 子渦が作る乱流速度場が対数則に従う(上右図)ことを、初めて見いだした。
between two
attractor
an importantthat
the isscaling
regionch
theisx“wrapping
the attractor.”
The-1 VLD. The first mechanism
R
C
/dy)
=
const.
ofthelog-law
in
Eq.
(7)
is
check
y(dv
10
This section discusses wh
the superfluid component has nos
protruding vortices rotate aroundthe attractor because of the 0.15 ! kξ ! 0.60.
determines
the topologicalthe onmaximum
value
log-law
is obser!0 isedges
4 x
0. The flow direction
along theFinally,
we describe
mutual friction. Then, theof
vortexthe attractor
leaveof !. The
3. is超流動
Heのcoflowの量子乱流(坪田、井川)We consider the situati
10-2
mode
t/τ =T0 = 1.6 K and v n = 0.9 cm/s. transferred
es are applied at y/D = 0 and 2 withnormal-fluid profileaccumu
is PoisRL
becauseically whyany
anddissipation
how the vo
hannel. The normal flowこれまで超流動4Heの管内流れの研究のほとis prescribed= 5000-3(b)v→v
numerical
calculation.
of simplicity,
we assumeT10(a)RW
んどは、熱対向流(熱により駆動され、常流=statistically9000
steady state [23].
The vortices
conccylindricalsymmetry,
name
Actually,
inthe low-w"%$2#
the centralisaxisof a alread
circular=the19000channel walls. A similar function
体と超流体が逆向きに流れる状況)に対して
structure
was
found
to
tenp
-4
T
=
1.6
K,
v
=
0.9
cm/s
10
y−D
n
in cylindricalcoordinates
a
law
when
sufficienttimex̂, 行われて来た。しかし、近年、プラハのグル(5)
1−
the simulations of a nonuniform
counterflow[1
reduced to
0.1
1D
increasing
T and v n , the inhomogeneous structdzkξープによりcoflow(超流体と常流体が同方向=
3. Depende
moreapparent
and anisotropic because of
the stro
dt
ation factor and x̂ is a unit vector inに流れる状況)の実験が行われ、熱対向流と FIG. 2. Time development of friction.
We
describehowthe−the transverse spin correlation
and!
state. In our calculation,function in SWT for the inverse cascade. The black solid line in thedRは異なる挙動が観測された。我々はcoflow
formed under the following
condienergy injectiondtin =theα w
range [0.08,0.6] exhibits a k −5/3 power law. The spectra are averaged
vortex lines into a numberof points
乱流の基本的振る舞いを理解すべく、
正方形
the −5/3
power
law appover five calculations with different initial noise components.
A. Logarithmic
velocity
profileHere, the dynamics of θ isFIG. 2. Snapshots of vortices at t = 20 s in Fig. 1: (a) viewed
resolution of &ξ = 8.0管内のcoflowの量子渦糸モデルによる研究
× 10−4 cm.
yyaxisymmetric.
We foundfocus onl
along the flow direction and (b) The
viewedlog-law
from the side
the flowofofthesuperfluid
flow is033620-5
chieved using a fourth-order Rungemotion of z is irrelevant todirection.
tically
steadystates.
The
flow
direction
compon−4resolution &t = 1.0 × 10 s. The
Eq. (2) is plotted in Fig.184508-4
3(a), where v0 is the v
× 0.1 × 0.1 cm3 . Periodic boundaryxz
thecenter
y/D
=
1
of
the
channel. The values arexz
the x and z directions, whereas solid
the
x
and
z
directions
andover the statistically sapplied at the walls. We reconnectednn
The data are plotted as a function of the distancwhen the vortices approached each
16 in the statistically steady the wall. We can investigate the logarithmic velo
&ξ . We eliminated vortices that were
FIG. 2. Snapshots of the vortex tangles

v

−3

v

を行った。その典型的な挙動を図に示す。左は流れ方向から見た渦の分布、右は流れに垂直方向から見た渦の分布である。熱対向流などと異なり量子渦は円筒状の領域に引き込まれる。このようなアトラクターの存在と、特徴的な渦の構造・ダイナミクスを明らかにした。
4. 相分離する２成分ボース・アインシュタイン凝縮体における秩序化過程のパーコレーション（竹内）擬２次元系の相分離する２成分ボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）におけるドメイ
ン形成の相転移ダイナミクスに浸透（パーコレーション）理論を適用した．強い相分離する系の動的不安定性で初期に現れるドメインパターンに対して有限サイズスケーリング
解析を施すことにより，この系のパーコレーション閾値が異成分間相互作用に依らず
0.5付近であることを数値的に見出した．閾
値上で現れる二つのパーコレーションドメ
インの間には系を縦断するドメイン壁（relic wall）が存在する．このようなrelicwallが，秩序化過程の動的スケーリング領
域の間，フラクタル性を保ちながら長時間存在し続けることが明らかにした．また，動的スケーリング領域におけるドメインサ
イズ分布が，浸透理論によって特徴づけられる冪則に従うことを明らかにした．
5. 射影された対称性の破れの提案とその超流体3He-Bへの適用（竹内）
二つの超流体界面が衝突する際，その衝突面において２次元的な対称性の破れが起こることを理論的に示した．この現象を双極子相互作用が支配的である超流体3He-Bへ適用した
とき，３次元空間において衝突面付近で量子渦糸または（および）ヘッジホッグが生成される．この現象を秩序変数を衝突面と垂直な１次元方向に積分することによって得られる２次空間に射
影することにより，ドメイン壁または（および）渦点の生成を伴う２次元空間の対称性の破れが起こる．この現象が連続的な対称性が自発的に破れた任意の系に適用できることを示し，この概念を射影された対称性の破れと名付けた．

教育・研究業績
学術論文
1. Satoshi Yui, Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Logarithmic velocity profile of quantum turbulence of superfluid 4He
Phys. Rev. B 92, 224513 (2015).
2. Hiromitsu Takeuchi, Yumiko Mizuno, and Kentaro Dehara
Phase ordering percolation and an infinite domain wall in segregating binary Bose-Einsteincondensates
Phys. Rev. A 92, 043608 (2015).

17

3. Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Direct and inverse cascades of spin-wave turbulence in spin-1 ferromagnetic spinor
Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 93, 033620 (2016).
4. Shinich Ikawa and Makoto tsubota
Coflow turbulence of superfluid 4He in a square channel: vortices trapped on a cylindricalattractor
Phy. Rev. B 93, 184508(2016).
5. Shinichi Ikawa and Makoto Tsubota
Quantum Turbulence in Coflow of Superfluid 4He
J. Low Temp. Phys. 183, 230 (2016).
6. Hiromitsu Takeuchi, and Shingo Kobayashi
Projected Symmetry Breaking in Dipole-Locked 3He-B
J. Low Temp. Phys. 183, 78 (2016).
7. Hiromitsu Takeuchi
Domain Size Distribution in Segregating Binary Superfluids
J. Low Temp. Phys. 183, 169 (2016).
8. 湯井悟志
超流動4Heにおける非一様量子乱流の理論的および数値的研究
物性研究 5-3, 053601 (2016).
9. 藤本和也
冷却原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体における乱流の理論的研究
物性研究 5-2, 052701 (2016).
国際会議講演1. Makoto Tsubota, Satoshi Yui, Shinichi Ikawa
Inhomogeneous quantum turbulence in a channel
International conference on quantum fluids and solids, Prague, CR, Aug. 10-16, 2016
2. Shinichi Ikawa, Makoto Tsubota
Novel dynamics of vortices in coflow quantum turbulence :vortices trapped on an attractor
International conference on quantum fluids and solids, Prague, CR, Aug. 10-16, 2016
3. Satoshi Yui, Makoto Tsubota
Logarithmic velocity profile of wall-bounded quantum turbulence in superfluid 4He
International conference on quantum fluids and solids, Prague, CR, Aug. 10-16, 2016
4. J. Gao, W. Guo, S. Yui, M. Tsubota, W. F. Vinen
The decay of thermal counterflow turbulence in superfluid 4He from small heat currents
International conference on quantum fluids and solids, Prague, CR, Aug. 10-16, 2016
5. M. Tsubota (Invited)
Inhomogeneous quantum turbulence and the dynamics of quantized vortices,
3rd TOYOTA RIKEN International Workshop, Nagoya, Japan, July 1 - 3, 2016
6. M. Tsubota (Invited)
Inhomogeneous quantum turbulence in a channel"New Challenges in Mathematical Modelling and Numerical Simulation ofSuperfluids", Marseille, France, June 27 - July 1, 2016
7. M. Tsubota (Plenary)
Numerical simulation of quantum turbulence in superfluid helium -Inhomogeneousquantum turbulence"Helicity,Structures and Singularity in Fluid and Plasma Dynamics", Venice, Italy, April 11- 15, 2016
8. M. Tsubota (Invited)
Numerical simulation of quantum turbulence
APS March Meeting 2016, Baltimore, Maryland, March 14-18 201618

9. M. Tsubota (Plenary)
Quantum Hydrodynamics and Turbulence in Atomic Bose-Einstein Condensates
Workshop on Computation of Quantum Systems in Cold-matter Physics and Chemistry,
The Fields Institute for Research in Mathematical Sciences, Canada, February 22-26 2016
10. M. Tsubota (Invited)
Quantum Hydrodynamics and Turbulence in Atomic Bose-Einstein Condensates
The first annual meeting of applied mathematics: Frontier aspects of applied mathematics,
National Taiwan University, Taiwan, December 6-7, 2015.
11. M. Tsubota (Invited)
Quantized vortices and turbulence in atomic Bose-Einstein condensates
One afternoon workshop for BEC dynamics, NCTS, Taiwan, December 05, 2015.
12.
M. Tsubota (Invited)
Review of numerical works of thermal counterflow -Route to inhomogeneous quantum
turbulenceInterpretation of measurements in 4He superfluid turbulence, PALM Workshop, CEA,
Saclay, France, September 14-18 2015.
13. K. Fujimoto and M. Tsubota
Weak Wave Turbulence in Atomic Bose-Einstein Condensates
The twenty fourth annual International Laser Physics Workshop, Shanghai, China,
August 21-25 2015.
14. H. Takeuchi
Domain-size distribution and a fractal domain wall between two percolating domains insegregating Bose-Einstein condensates
ICAP2016: The 25th International Conference on Atomic Physics, COEX, Seoul, Korea, 7.
24-29 (2016)15. H. Takeuchi
Percolation in Segregating Binary Bose-Einstein Condensates
STATPHYS26: the 26th International Conference on Statistical Physics of theInternational Union for Pure and Applied Physics (IUPAP), Lyon, France, 7 18-22 (2016)16. H. Takeuchi
Phase Ordering Percolation in Segregating Binary Bose-Einstein Condensates
NEQFLUIDS2016 : Classical and Quantum Fluids Out of Equilibrium, Grenoble, France,
7. 13-16 (2016)17. Hiromitsu Takeuchi (Invited)Superfluid 3He as an exotic example of projected symmetry breaking
Quantum Science Symposium-2015, Cambridge, MA, USA, 9. 21-22 (2015)
学会・研究会講演1.

坪田誠(Invited)
非一様量子乱流
日本物理学会、第71回年次大会、東北学院大学、2016.3.19-22
2.
坪田誠(invited)
Hydrodynamics and turbulence in quantum fluids
研究会「量子渦と非線形波動2016」、東京理科大学、2016.1.19-20
3.
井川真一、坪田誠
超流動HeIIでのcoflowにおける量子乱流
物性研短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」、東京大学物性研究所、2016.1.5-7
4.
湯井悟志、藤本和也、坪田誠
超流動4Heの非一様量子乱流：渦糸の統計則と対数型速度分布則19物性研短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」、東京大学物性研究所、2016.1.5-7
5.
藤本和也、坪田誠
強磁性スピノールBECのスピン波乱流におけるダイレクト・インバースカスケード
物性研短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」、東京大学物性研究所、2016.1.5-7
6.
坪田誠(Invited)
量子乱流研究の発展
物性研短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」、東京大学物性研究所、
7.
井川真一、坪田誠
超流動4He中でのcoflowにおける量子乱流
日本物理学会、2015年秋季大会、関西大学、2015.9.16-19
8.
湯井悟志、藤本和也、坪田誠
量子乱流の壁法則：超流動速度場の対数型分布則
日本物理学会、2015年秋季大会、関西大学、2015.9.16-19
9.
藤本和也、坪田誠
強磁性スピノールBECのスピン波乱流
日本物理学会、2015年秋季大会、関西大学、2015.9.16-19
10. 竹内宏光(invited)
多自由度超流体における界面対消滅と射影された自発的対称性の破れ
日本物理学会，2015年秋季大会，関西大学，9. 16-19 (2015)

セミナー

1. M. Tsubota
Numerical simulation of quantum turbulence in superfluid helium
Seminar, Department of Physics of National Taiwan Normal University, Taiwan,
2015.12.4
2. Hiromitsu Takeuchi
Projected symmetry breaking in superfluids
Ultracold Quantum Gases Group, Massachusetts Institute of Technology, 9. 28 (2015)
3. Hiromitsu Takeuchi (invited)
Defect-survival problem in phase-separating binary superfluids
Seminar Room K202, Main Building, Yukawa Institute, Kyoto Univ., 6. 17 (2015)

学位論文
博士論文
1. 藤本和也：「冷却原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体における乱流の理
論的研究」
修士論文
1. 臼井彩香：「ラビ結合した擬一次元2成分Bose-Einstein 凝縮体の対向超流動のエネルギー安定性」
2. 湯井悟志：「超流動4Heにおける非一様量子乱流の理論的および数値的研究」

20

研究助成金取得状況
1. 坪田誠：科研費基盤研究(C)「量子乱流の理論的および数値的研究：乱流遷移の解明と秩序変数の同定」
80万円
2. 坪田誠：新学術領域研究(研究領域提案型)「ゆらぎと構造の協奏」から見た量子乱流」
120万円
3. 竹内宏光：若手研究(B)「多成分超流体における新奇な秩序化現象とその相転移動力学の確立」
50万円
4. 藤本和也：日本学術振興会特別研究員奨励費「スピノール・ボース・アインシュタイン凝縮体におけるスピン乱流の理論的
研究」
90万円

受賞
1. 藤本和也：日本物理学会 領域１ 第４回学生プレゼンテーション賞
2. 湯井悟志：大阪市立大学 研究業績優秀賞(若野賞)

高大連携・地域貢献
1. 竹内宏光 （大阪市立科学館 斎藤吉彦氏と共催）
市大授業「自発的対称性の破れと量子流体」
対象：高校生，予備校生

21電子相関物理学研究室
小栗 章
西川 裕規

教授
講師

寺谷 義道 (M2)
中田 幸宏 (M2)小池 章高 (M2)

城谷 将矢 (M1)松本 龍太 (M1)樋口 裕太 (B4)島田 典明 (B4)島田 克樹 (B4)

研究概要
本研究室では、固体中の電子系が織りなす多彩な量子状態に関する理論研究を行っている。主として、カーボンナノチューブや半導体ヘテロ接合の量子井戸などの微細加工により作成された
量子ドットおよび関連するナノ物質系を対象とし、磁性や電気伝導などの物性に与える電子間相互作用の効果を、場の量子論や数値・計算物理学的な方法を駆使した研究を進めている。特に、多重量子ドットや複数の軌道を持つ量子不純物系の量子相転移や近藤効果、量子ゆらぎ、および超伝導体と接続された量子ドット系におけるクーパー対と電子間斥力の競合などについて調べて入る。また、2014 年度から大阪大学理学研究科小林研介教授代表の科研費基盤 (S) の研究に参加し、カーボンナノチューブ量子ドットの近藤効果と非平衡電流ゆらぎに関して、実験グループと密接に連携した共同研究を進めている。
研究の概要は次の通りである：[1] カーボンナノチューブ、および 2 重量ドットにおける SU(4)近藤状態と SU(2) 近藤状態のクロスオーバーと量子相転移に関する数値くりこみ群 (NRG) による研究。[2] 超伝導体と接合された量子ドット系における Andreev 散乱、Josephson 位相、長岡強磁性、近藤効果の競合、および量子相転・クロスオーバー移関する研究。[3] 多数の局在軌道を持つ
量子ドット系の低エネルギー状態、および非平衡定常状態に対する有効理論の定式化とスペクトル関数に関する研究。[4] 多軌道不純物 Anderson 模型の非平衡 Green 関数の高バイアス極限からの展開、および中間エネルギー領域への拡張。以下に、[1]〜[4] について、詳細を記す。

[1] 多数の軌道を持つ量子不純物系では、局在準位を占有する電子間のクーロン斥力、Hund 結合、および混成する連続スペクトルを持った伝導電子チャンネル数により、SU(4) 対称性などを持った多彩な Kondo 状態や、非 Fermi 流体状態が実現される。本研究室では、多方面からこれらの系の量子相転移・クロスオーバーに関する研究を進めている：i) カーボンナノチューブ量子ドットに関して、小林研究室（大阪大学）と共同を進めている。この系では、ナノチューブの軸回りを左右に回る電子軌道による軌道縮退のため、局在電子軌道はスピン自由度を含めて 4 重に縮退している。高精度の非平衡電流およびノイズの測定から低エネルギーの Fermi 流体状態を特徴づけるパラメータである Wilson 比が決定され、結果は Anderson 模型に基づく理論計算とよく一致することを実験・理論の協力により明らかにした。測定に用いた量子ドットでは印加するゲード電圧に応じて SU(4) およびSU(2) のどちらも実現されるが、いずれにおいてもコンダクタンスおよび電流ノイズの実験とと対応する数値くりこみ群による計算結果には良い一致が見られ、低エネルギー領域における Fermi 流体的振る舞いを矛盾なく説明できることが分かった。また、局在電子軌道の占有数が 2 個の付近では SU(4) 近藤状態に磁場を印加した場合に、磁場中においてもコンダク
タンスに近藤効果に特有である平坦なゲード電圧依存性が観測された。実験と理論との総合的な比較から、観測に用いられたカーボンナノチューブ量子ドットでは軌道のゼーマン分裂とスピンゼーマン分裂が同程度の大きさで相殺し、磁場中でも 2 重縮退が残り得ることが分かった。これらの結果は、実験は磁場の増大による SU(4) から SU(2) 近藤状態へのクロス
オーバーを観測したものと解釈できることを示している。
ii) また、2 つの伝導電子系と接続された 2 重量子ドットにおいて、2 重量子ドットの電子占
有率が 1/4 の場合を引き続き重点的に研究した。この系では、電子スピン自由度（＝ 2）と 2
重量子ドットの軌道自由度（＝ 2）の 4 つの自由度が関係する近藤効果が期待できる。この系の低エネルギー有効モデル、スペクトル密度を通して、我々は低エネルギー状態での SU(4)22対称性の出現の有無をより広いパラメータ領域で考察した。その結果、もとの系にまったくSU(4) の対称性がない場合でも、SU(4) の対称性が近似的にあるようにみえる状態があることを確認した。さらに、そのような状態と真の SU(4) 対称性状態とのある種の 距離 は近藤温度でスケールされることを見出した。またこの系に関して、2 重量子ドットを通した電気伝導度の温度依存性が SU(2),SU(4) の対称性によってどのように異なるかを考察した。
近藤効果と４重量子ドット上の磁性的状態（リーブフェリ磁性と長岡強磁性）が競合する系を考察するために、孤立 4 重量子ドット系の磁性的状態を考察した。まず、この系のハミル
トニアンの行列要素をモデルパラメータの関数として陽に計算し、その結果を用いてリーブ
フェリ磁性と長岡強磁性が出現する領域を具体的に求めた。
その他、ドット間にホッピングを有する２重量子ドット系の低エネルギー有効モデルの構築、異方的フント結合を有する２重量子ドット系の量子臨界点の研究を継続してさらにすすめた。

[2] 超伝導体との接合系に関する研究では、単一量子ドット系に加え、2 本の超伝導リードと１本の常伝導リードからなる 3 端子に接続された 3 角形 3 重量子ドットに関する研究を行っている。これらの系の基底状態は、超伝導リードとの接続により変化し、Josephson 位相、Andreev 散乱、および近藤効果が競合する多彩な変化を見せる。3 角形 3 重量子ドットでは、
スピン一重項基底状態と２重項基底状態の間の間の準位交差が起り得る。これは局在電子軌
道の縮退、あるいは長岡強磁性に起因する高スピン状態に起因し伝導電子による局所モーメ
ントの完全遮蔽と不完全遮蔽の量子相転移として現れる。我々は、それぞれの量子相の中にも、クロス―オーバーを通じて基底状態の性質のことなるいくつかの領域が現れることを見出した。これらの系の平衡・動的性質を、数値くりこみ群および Green 関数を求める拡張（完全基底系密度行列と自己エネルギーを併用した NRG）等を用いて詳細に調べて入る。
[3] 電子相関の解明には、問題を取り扱う理論・定式化の発展も欠くことができない。我々は、軌道縮退のある量子不純物・量子ドットを記述する代表的なモデルである SU(N ) 対称性を持つ Anderson 模型に関して、1/(N − 1) 展開という方法を定式化した。ここで、N は軌道縮退数である。量子不純物系では従来 N が大きな場合からの解析的なアプローチとして、
Non-Crossing Approximation(NCA) などが用いられてきたが、それらは不純物電子と伝導電子との混成項 v の摂動展開に基づくものである。我々の展開法は電子間斥力 U の摂動展開に基づくものであり、1/(N − 1) のゼロ次は Hartree-Fock 近似、1/(N − 1) の 1 次で Random
Phase Approximation(RPA)、1/(N − 1) の 2 次からスピンや電荷の量子ゆらぎによる電子相関効果が系統的に記述される。我々は、これまで 1/(N − 1) の 2 次までの計算を行い数値くりこみ群なども併用し、低エネルギーの振る舞いを調べ、この方法の有効性を示した。その発展として、振動数 ω の有限な領域における振る舞いを含めた、より広いエネルギー範囲を視野にいれた拡張を行っている。特に、数値くりこみ群によるスペクトル関数の計算も実施し、様々な手法を包括的に用いて研究を進めている。
[4] 相互作用する電子系の低エネルギーの性質は、Fermi 流体や Tomonaga-Luttinger 流体、あるいは Majorana 励起などを含む、量子多体系の基底状態の構造によって決定される場合があることが知られている。これらの普遍的な振る舞いがエネルギーの上昇に伴いどのように変化するかも、重要な問題であり、主として数値的に調べられてきている。そのため、逆の極限である高エネルギー領域の知見も電子系の物理を知る上で必要になる。我々は、熱的場の理論の拡張された Hilbert 空間に対応する Liouville-Fock 空間を用い、Anderson 模型の非平衡 Green 関数が高バイアスの極限における厳密解を導出し、高エネルギー領域における相互作用する電子系のダンピング効果が非エルミート有効ハミルトニアンによって決定されることを示した。このような極限から、NCA 法なども併用し、有限バイアス領域への拡張についても検討を進めている。

23

教育・研究業績
学術論文
1. Y. Nishikawa, O. J. Curtin, A. C. Hewson, D. J. G. Crow, and J. Bauer, “Conditions forobserving emergent SU(4) symmetry in a double quantum dot”,
Phys. Rev. B 93, 235115 (2016), 14 pages.
2. M. Ferrier, T. Arakawa, T. Hata, R. Fujiwara, R. Delagrange, R. Weil, R. Deblock, R.
Sakano, A. Oguri, and K. Kobayashi, “Universality of non-equilibrium ﬂuctuations instrongly correlated quantum liquids”, Nat. Phys. 12, 230 (2016), 6 pages.
3. Yoshimichi Teratani, R. Sakano, R. Fujiwara, T. Hata, T. Arakawa, M. Ferrier, K. Kobayashi,and A. Oguri, “Field-enhanced Kondo correlations in a half-ﬁlling nanotube dot: evolutionof an SU(N ) Fermi-liquid ﬁxed point ”, arXiv:1607.02305.

国際会議講演
1. Rui Sakano, Akira Oguri and Yunori Nishikawa, “Full counting statistics for current
through each channel of orbital degenerate Anderson impurity with exchange interactions”,
American Physical Society March Meeting (March 2016, Baltimore, USA).
2. Akira Oguri, Rui Sakano, Ryosuke Yoshii, Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata,
Ryo Fujiwara, and Kensuke Kobayashi, “Eﬀects of orbital splitting on the Kondo eﬀect
in a two-orbital quantum dot”, 21st International Conference on Electronic Properties of
Two-Dimensional Systems (July 2015, Sendai, Japan).
3. Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaelle Delagrange,
Raphael Weil, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi, “Shotnoise monitoring of magnetic-ﬁeld-induced cross-over between SU(4) and SU(2) symmetry of the Kondo eﬀect”, 21st International Conference on Electronic Properties of TwoDimensional Systems (July 2015, Sendai, Japan).
4. Ryosuke Yoshii, Ryo Fujiwara, Tokuro Hata, Tomonori Arakawa, Kensuke Kobayashi,
Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Richard Deblock, Helene Bouchiat, Rui Sakano,
and Akira Oguri, “Shot Noise Measurement and Theoretical Analysis on Carbon Nanotube Quantum Dot”, 21st International Conference on Electronic Properties of TwoDimensional Systems (July 2015, Sendai, Japan).
5. Akira Oguri, “Some new analytical and numerical approaches to an SU(N) impurity Anderson model”, International Workshop on New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic
Physics (June 2015, Kashiwa, Japan).
6. Yoshimichi Teratani, and Akira Oguri, “Kondo eﬀect in a carbon nanotube quantum
dot with a ﬁnite orbital splitting and a magnetic ﬁeld”, International Workshop on New
Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics (June 2015, Kashiwa, Japan).
7. Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaelle Delagrange,
Raphaël Weil, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri and Kensuke Kobayashi, “Shotnoise monitoring of the cross-over between SU(4) and SU(2) symmetry of the Kondo eﬀect
in a carbon nanotube quantum dot”, International Workshop on New Perspectives in
Spintronic and Mesoscopic Physics (June 2015, Kashiwa, Japan).

24

学会・研究会講演1. 西川裕規，D. J. G. Crow，A. C. Hewson，「2 重量子ドット系に於けるいくつかの量子臨界点近傍の普遍的振舞とクロスオーバー」，日本物理学会 (2015.9.16–19, 関西大学)
2. 寺谷義道，小栗章，阪野塁，Meydi Ferrier，荒川智紀，秦徳郎，藤原亮，小林研介，「多軌
道量子ドットの近藤効果における磁場と軌道分裂の効果 II」，日本物理学会 (2016.3.19–22,
東北学院大学)
3. 小池章高，小栗章，田中洋一，「Josephson 接合に埋め込まれた量子ドットのスペクトル関数:
数値くりこみ群による研究」，日本物理学会 (2016.3.19–22, 東北学院大学)
4. 中田幸宏，寺谷義道，小栗章，田中洋一，「超伝導および常伝導リードに接続された 3 角形 3
重量子ドットにおける近藤効果と Josephson 効果の競合」，日本物理学会 (2016.3.19–22, 東
北学院大学)
5. 秦徳郎，藤原亮，荒川智紀，小林研介，Meydi Ferrier，R. Delagrange，R. Deblock，H.
Bouchiat，阪野塁，小栗章，「近藤効果が発現する量子ドットにおけるゆらぎの定理の検証」
日本物理学会 (2016.3.19–22, 東北学院大学)
6. 寺谷義道，小栗章，阪野塁，吉井涼輔，Meydi Ferrier，荒川智紀，秦徳郎，藤原亮，小林研介，「多軌道量子ドットの近藤効果における磁場と軌道分裂の効果」，日本物理学会 (2015.9.16–19,
関西大学)
7. 小栗章，中田幸宏，小池章高，田中洋一，「超伝導リードに接続された 3 角形 3 重量子ドットの量子相転移と基底状態の性質 II」，日本物理学会 (2015.9.16–19, 関西大学)
8. 吉井涼輔，藤原亮，荒川智紀，秦徳郎，小林研介，Meydi Ferrier，R. Delagrange，R. Deblock，
H. Bouchiat，阪野塁，小栗章，「カーボンナノチューブ量子ドットのクーロン閉塞状態における非線形ノイズの理論解析」，日本物理学会 (2015.9.16–19, 関西大学)
9. 藤原亮，秦徳郎，吉井涼輔，荒川智紀，小林研介，Meydi Ferrier，R. Delagrange，R. Deblock，
H. Bouchiat，阪野塁，小栗章，「カーボンナノチューブ量子ドットにおけるショットノイズ
測定 II」，日本物理学会 (2015.9.16–19, 関西大学)

その他
1. 小栗 章，
「超伝導の南部理論と凝縮系における場の理論の発展:強相関電子系の研究から」，
南部陽一郎先生追悼シンポジウム『学部生・大学院生・研究者が学ぶ南部先生の偉業』(2015.9.29，大阪市立大学)

学位論文
修士論文
1. 寺谷義道：カーボンナノチューブ量子ドットにおける SU(4) 近藤効果：軌道縮退を解く外場の影響に関する理論的研究
2. 中田幸宏：超伝導および常伝導リードに接続された 3 角形 3 重量子ドットにおける電子間斥
力と近接効果の競合による量子相転移
3. 小池章高：Josephson 接合に埋め込まれた量子不純物のスペクトル関数：数値繰り込み群に
よる研究

25

研究助成金取得状況
1. 西川裕規 (代表)：学術振興会・基盤研究 (C) 「量子不純物系の強相関領域での量子臨界点、
クロスオーバーの普遍的振舞の研究」156 万円
2. 小栗章 (代表)：学術振興会・基盤研究 (C) 「メゾ・ナノスケール系における量子干渉と電子間相互作用の競合に関する理論的研究」80 万円
3. 小栗章 (分担)：学術振興会・基盤研究 (S) 「メゾスコピック系における非平衡スピン輸送の微視的理解とその制御」90 万円

海外出張および海外研修
1. 西川 裕規：英国インペリアル・カレッジ・ロンドン、2015 年 10 月 20 日 〜 2015 年 11 月 14日、研究打ち合わせその他

26

レーザー量子物理学研究室
井上慎	
  	
 

教授

二村	
  亮(B4)矢野慶人(B4)

研究概要
1. van der Waals相互作用と質量だけで異種原子間のEfimov共鳴が決まるか（井上）2014年度に東京大学工学部で行った極低温KRb混合気体を用いた実験結果を解析し、異種原子間のEfimov共鳴における一般則の存在の有無を解明することを試みた。Efimov共
鳴とは束縛エネルギーが等比級数をなすことで特徴づけられる特異な３体の束縛状態であり、最初は原子核物理で理論的に存在が予測されたものである。近年、極低温セシウ
ム原子を皮切りに種々の冷却原子で検証に成功している。しかし実験データが揃うにつれ、Efimov状態のエネルギースペクトルは全て、原子間相互作用の長距離部分を特徴づける量(van der Waals長)と原子の質量で規格化すると同じになるという驚きの事実が発見された。数々の数値モデリングにより、同一原子種からなる系についてはその理由が解明されてきているが、異種の原子からなる系についてはまだ実験結果も少なく、理論的解明も進んでいない。我々は前年度に行った実験で、極低温41K87Rb混合気体において、
フェッシュバッハ共鳴により散乱長を制御しながら原子気体の非弾性散乱レートを測定し、Efimov状態のスペクトルを得た。観測した散乱長の範囲では、３体の非弾性散乱係数には構造が見られなかったが、フェッシュバッハ分子(41K87Rb)と87Rb原子の間の非弾性散乱の係数には共鳴が観測された。観測された非弾性散乱係数のグラフは、コロラド大学で行われた同位体(40K87Rbと87Rb）を用いた同種の実験の結果と極めて似ていたが、共鳴の位置がシフトしていた。カンザス大学のYujun Wang博士らが提唱する一般則が成り立つ場合、van der Waals長、原子の質量、それにフェッシュバッハ共鳴を特徴づける２つのパラメーターの計４個を考慮するだけで、このシフトを再現できるはずである。そこ
でWang博士にコロラド大学の結果と本実験結果の両方を計算で再現することを依頼した。計算の結果、コロラド大学の実験結果については２つのスピン状態を仮定し、我々の実験結果に関しては３個のスピン状態を仮定することで、共鳴の位置のずれを再現できることが分かった。この結果は異種原子間のEfimov共鳴においてもそのスペクトルは
van der Waals長、原子の質量、フェッシュバッハ共鳴を特徴づける２つのパラメーター(共鳴の強さsresと背景散乱長rbg)、の合計４個によって再現できることを示し、一般則の存在を実験的に支持するものと言える。

教育・研究業績
国際会議講演
1. S. Inouye (invited)：“New limit on the variation of the electron-to-proton mass ratio using
ultracold molecules”, The 12th US-Japan Seminar on many body quantum systems, 2015年9月
20-24日, 米国ウィスコンシン州マディソン・モノナテラスコンベンションセンター
学会・研究会講演1. 井上慎：「２原子種BECとスピン自由度のあるBEC」物性研究所短期研究会「量子乱流と古典乱流の邂逅」	
  2016年1月5日 東京大学物性研

27

その他
1. S. Inouye：“New limit on the variation of the electron-to-proton mass ratio using ultracold
molecules”, 2015年9月25日	
  米国シカゴ大学Chin研究室にて講演
2. 井上慎：「光で創る低温の世界：冷却原子と冷却分子」	
  2015年9月29日	
  大阪市立大学
学術戦略会議にて講演
3. 井上慎：「極低温極性分子の作成とその応用」 2016年1月26日	
  大阪大学大学院理学研
究科川村研究室にて講演
4. 井上慎：「クリッカー顛末記」	
  大学の物理教育	  21 119 (2015)

海外出張および海外研修
1.
2.

井上慎：米国ウィスコンシン州マディソン、2015年9月20-24日、The 12th US-Japan Seminaron many body quantum systems 出席・発表
井上慎：米国シカゴ大学、2015年9月25日、講演

その他
1.

大阪市立科学館	
  国際光年展示「光とあかり」に「レーザー冷却の世界」と題して原子分光の実験設備を出展

28

宇宙線物理学研究室
荻尾彰一（教授）
大嶋晃敏（客員准教授） 岸上翔一（M1）
常定芳基（准教授）
小西翔吾（M2）
高橋優一（M1）
榊直人（特任助教）
西本義樹（M2）
Rosa Mayta（M1）
林嘉夫（名誉教授）
和知慎吾（M2）
佐原涼介（B4）
小島浩司 （客員教授） 大野木瞭太（M1）高木芳紀（B4）

研究概要
1. 宇宙線望遠鏡実験 (Telescope Array 実験、TA 実験)（荻尾、常定、和知、大野木、高木）
エネルギー 1018 eV 以上の「超高エネルギー宇宙線」をターゲットとした国際共同研究で、この宇宙における最も激烈な粒子加速現象の起源を解明することを目的とし、米国ユタ州の砂漠に建設された有効検出面積約 700 km2 の北半球最大の装置を用いて 2008 年 3 月から定常観測を行っている。
宇宙線は荷電粒子であるため宇宙空間では磁場の影響を受けるため直進せず、地球への到来
方向から起源天体の方向を同定することが難しいが、最高エネルギー領域宇宙線は直進性が高いため、高統計での観測を行えば宇宙線到来方向分布の「異方性」が見えてくることが期
待されている。これまでの TA 実験の７年分の観測データを用いた解析では、宇宙のある領域において宇宙線の到来数が他と比べて有意に多い「ホットスポット」の存在が示唆されており、観測データのさらなる蓄積と解析が進められている。
また宇宙線中に発見される粒子種が、陽子成分であるのか重い原子核成分であるのか、すな
わち宇宙線の原子核組成は起源天体の種類とその距離分布を確定させる上で決定的に重要であり、特に重点的に解析を進めている。さらに高エネルギーおける陽子と原子核との相互作用断面積の推定を、超高エネルギー宇宙線陽子と大気中の原子核との相互作用を用いて行うという研究もなされ、結果は学術誌に掲載された。
これらの結果はオランダで行われた第 34 回宇宙線国際会議 (ICRC2015) で（共同研究者により）報告された。
本研究室は実験装置の設計・開発から現在まで研究グループの主力として本実験に参加している。大阪市立大学宇宙線物理学研究室では 2015 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

(a) 中央垂直射出レーザー光の散乱光を大気蛍光望遠鏡によって観測することによる大気
透明度の測定（和知）(b) 米国製大気蛍光望遠鏡のためのデータ解析プログラムの開発（大野木）(c) 空気シャワー最前面の粒子到来時間の解析（高木）2. TA×4 実験、TALE 実験（荻尾、常定、小西、西本、岸上、高橋、佐原）
前述のように、宇宙線の起源天体を直接同定するためには、高統計、すなわち観測データの蓄積が最も重要である。そのため、TA 実験 の有効検出面積を４倍に拡大する 「TA×4 計
画」 が提唱され、2015 年度に予算が認められた。今年度は TA×4 実験の基本仕様、検出器仕様を確定し、検出器の心臓部となる光電子増倍管、シンチレータ、波長変換ファイバなどを調達し、予備試験を行った。検出器製作と設置は 2016 年度から行う。
また同時に、TA 実験の感度を 1017 eV 以下に拡張し、1017 eV から 1020 eV までの 4 桁におよぶ広いエネルギー範囲での宇宙線のエネルギースペクトルと化学組成の精密測定を目指す「TALE 計画」が立案され、2015 年度に予算が認められた。
大阪市立大学宇宙線物理学研究室は TALE 実験の代表研究機関であり、TA×4 実験の重要な分担研究室でもある。2015 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

29

(a) TA×4 実験、TALE 実験の両方で使われる地表検出器用エレクトロニクスの開発と TA
実験サイトにおける試験観測（小西、高橋、佐原）。研究の成果は、オランダで行われた第 34 回宇宙線国際会議 (ICRC2015) で荻尾により報告された。また、高橋により日本物理学会第 71 回年次大会でも報告された。
(b) TALE 実験地表検出器アレイのためのデータ解析プログラムの開発（岸上）。研究の成果は、日本物理学会 2015 年秋季大会で報告された。
(c) TALE 実験地表検出器のためのシンチレーターの性能試験（西本）。研究の成果は、日
本物理学会 2015 年秋季大会で報告された。
3. TA 実験サイトにおけるチェレンコフ光観測：NICHE 実験（常定）TA 実験で観測対象としている最高エネルギー宇宙線は、銀河系内にはその起源となりうる
ような天体（エネルギー 1018 eV にまで粒子加速が可能な天体）が見当たらず、その起源は銀河系外にあると考えられている。一方、数としては圧倒的に多いそれ以下のエネルギーの宇宙線の起源は銀河系内にあると考えられており、例えば超新星残骸における粒子加速が有効に働くという理論予測は大方の研究者から支持されている。ただし銀河系内天体が宇宙線をどこまで加速することができるのかという問題は未解決であり、「低エネルギー = 銀河系
内、高エネルギー = 銀河系外」という現在の理解はどこに境界があるのかはっきりしていない。これを解決する鍵になるのは、宇宙線の原子核組成の解明であり、銀河系内天体であれば電荷が大きく加速されやすい重い原子核が多いはずであるが、銀河系外起源であれば長い距離を伝播する間に破砕反応によって壊れてしまい軽い原子核が多いと考えられている。
これを観測的に決定するために、TA サイトに低エネルギー宇宙線観測に適した「空気チェレンコフ光検出器」を設置するのが本研究で進める NICHE 実験である。2015 年度は検出器に使用するエレクトロニクスが完成し、その試験を行った。検出器設置は 2016 年度に行う予定である。
4. 国際宇宙ステーションにおける宇宙線観測（常定）
全宇宙線フラックスのうち約 1% は電子・陽電子成分が占める。高エネルギーの電子・陽電子は銀河磁場中ではシンクロトロン放射によりすみやかにエネルギーを失うため、もし地球で高エネルギーの電子・陽電子が観測されれば、その起源天体は地球の近傍に存在しているはずである。宇宙線の加速源として超新星残骸が有力視されていることを考え合わせると、地球で観測される高エネルギー電子の起源は「若くて近傍」の超新星残骸に限られることになり、候補天体はかなり絞られる。したがって宇宙線の起源天体同定は、原子核成分よりもまず電子成分でなされるかもしれない。このような動機のもと、宇宙線電子成分の検出器に最適化された検出器 CALET (CALorimetric Electron Telescope) の開発が行われ、2015
年 8 月 19 日に種子島宇宙センターから H-IIB ロケット５号機 (HTV5) によって打ち上げられ、国際宇宙ステーション (ISS) の日本実験施設「きぼう」に設置され、観測が始まった。
打ち上げ 90 日までのデータを用いての “Minimum Success Criteria” として設定されていた 1GeV - 1TeV の電子、ガンマ線、および 100GeV までの宇宙線原子核成分の観測とエネ
ルギー決定には成功し、定常運用フェイズに入った。ガンマ線バースト現象を捉えるための専用検出器 (CGBM) も順調に稼動している。その成果は日本物理学会第 71 回年次大会等で報告されている。

5. 宇宙からの最高エネルギー宇宙線観測計画 JEM-EUSO のための準備研究（榊）最高エネルギー宇宙線による空気シャワーが発する紫外線蛍光を国際宇宙ステーション (ISS)上の超広角望遠鏡で観測することで観測イベントを大幅に増やし、宇宙線の起源について研究する JEM-EUSO 計画の準備研究を 16 カ国の国際共同研究で進めている。現在行われている TA 実験サイトでのプロトタイプ望遠鏡による試験観測等を経て、ISS 上の最初の宇宙線観測望遠鏡 K-EUSO を実現し、さらに規模を大きくした JEM-EUSO へと発展させる予定である。2015 年度は、K-EUSO 用の宇宙線観測性能の評価、TA 実験サイトで運用されているプロトタイプ望遠鏡に対するモンテカルロシミュレーションを行った。

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6. 南米ボリビアの高地における宇宙線観測（常定、小島、大嶋、荻尾）
エネルギーが 1015∼16 eV 程度の宇宙線は、エネルギースペクトルに折れ曲がりが存在し、さらに銀河系内の超新星残骸などにおける加速の最高エネルギーと考えられていることもあって非常に重要なエネルギー領域である。このエネルギーの宇宙線は地表（海抜 0m）には到達しないため、高山で観測を行う必要がある。この実験は南米アンデス山脈の 5000m 級の山において宇宙線を観測するもので、ボリビア・ラパスから近いチャカルタヤ山宇宙線観測所で行われてきた。実験は 1960 年代から行われていたが、装置の老朽化、人的資源の枯渇などにより 2015 年にいったん打ち切ることが決定された。その上で、新たに東京大学宇宙線研究所、神奈川大学、日本大学などの研究者が加わり、チャカルタヤ山中腹の高度 4800mの高原において新たな宇宙線観測プロジェクトを立ち上げることが現地のサンアンドレス大学とも合意された。この実験では、宇宙線原子核成分のみならず、宇宙ガンマ線を捉えることを目的としている。ガンマ線は原子核や電子成分とは異なり宇宙磁場の影響を全く受けずに直進するので起源天体を同定できる可能性が高い。この実験の強みは、高度 4800m というガンマ線観測所としては世界最高高度に位置する装置を南半球に設置することにあり、銀河中心を含む我々の銀河系の広い領域を見渡しガンマ線観測を行うことにある。装置建設は2016 年度後半より始まる予定である。

7. インド・ウーティにおける空気シャワーアレイを用いた宇宙線・ガンマ線観測（小島、林、大嶋）
本研究室とインド・タタ基礎研究所による日印国際共同実験「GRAPES-3 空気シャワー実験」は、2000 年 3 月から 10 TeV 以上の宇宙線の観測を行っている。本実験は宇宙線・ガン
マ線観測による超高エネルギー天体現象の解明を目的として、一次宇宙線の化学組成解析やガンマ線源探索等を継続してきた。前年度に新型の時間情報記録装置 TDC を導入し、本年度はそのデータ解析プログラムの開発を進めている。また、検出器間の相対時刻の校正のために開発した RTTCS を空気シャワーデータへ適用する作業を進めている。本年度、林は長期間（2015 年 10 月 29 日 ∼2016 年 10 月 13 日）ウーティに滞在し、現地で比例計数管の製作に従事した。ミューオン検出器（面積 35m2 ）5 基分に相当する、10cm×10cm×6m の比例計数管を約 1300 本製作し、比例計数管設置場所の基礎工事を開始した。これらの計数管に仮設の回路系を取り付け、長期安定性等のテスト運用を行い、比例計数管の各種テストを行った。また、大型ミューオン望遠鏡による宇宙線強度の変動の観測、空気シャワー観測装
置による空気シャワーの観測を行い、それぞれのデータを日本に送って予備解析を行った。
2015 年 3 月 21∼28 日に大嶋がウーティに滞在し、空気シャワーアレイの整備およびシミュ
レーション・データ解析用の大型計算機の整備を行った。

8. インド・ウーティーにおける大面積ミューオン検出器を用いた宇宙線観測（小島、林、大嶋）GRAPES-3 での観測には大別して、(1) 空気シャワーアレイとミューオン望遠鏡の連動観測、(2) ミューオン望遠鏡単独の観測 l、があり、本節の報告は (2) に関するものである。2015 年
3 月にタタ基礎研究所の P.K. Mohanty 氏が来日し、GRAPES-3 日本メンバーとミューオン
観測データの解析、宇宙天気研究について議論を行なった。2015 年 3 月 21 日 ∼3 月 28 日に大嶋がインドに渡航した際、タタ基礎研究所・Radio Astronomy Center の P.K. Manoharan氏と議論し、GRAPES-3 のミューオン観測と IPS 観測との連携研究の可能性について話し合った。また、これに関して同年 5 月 29 日に小島・大嶋が、IPS 研究との連携により宇宙
線密度の空間分布と CME の空間的ひろがりの関連性について名古屋大学・徳丸氏と議論した。前年度から進めていた太陽風と宇宙線の相互作用に関する議論をまとめたものが学術誌に掲載された。

教育・研究業績
著書
なし

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学術論文
1. R.U. Abbasi et al.: ”A northern sky survey for point-like sources of EeV neutral particles
with the Telescope Array Experiment”, Astrophys. J., 804, 133-143 (2015)
2. H. Kojima et al.:Measurement of the radial density gradient of cosmic ray in the
heliosphere by the GRAPES-3 experiment , Astropart. Phys., 62, 21-29 (2015)
3. R.U. Abbasi et al.: ”Study of Ultra-High Energy Cosmic Ray composition using Telescope
Array s Middle Drum detector and surface array in hybrid mode”, Astropart. Phys., 64,
49-62 (2015)
4. R.U. Abbasi et al.: ”The Hybrid Energy Spectrum of Telescope Array s Middle Drum
Detector and Surface Array”, Astropart. Phys., 68, 27-44 (2015)
5. H. Kojima et al.: ”Dependence of cosmic ray intensity on variation of solar wind velocity
measured by the GRAPES-3 experiment for space weather studies , Phys. Rev. D, 91,
121303 (2015)
6. R.U. Abbasi et al.: ”Measurement of the Proton-Air Cross Section with Telescope Array’s
Middle Drum Detector and Surface Array in Hybrid Mode”, Phys. Rev. D, 92, 032007(2015)
7. K.P. Arunbabu et al.:How are Forbush decreases related to interplanetary magnetic
field enhancement? , A. & A., 580, A41 (2015)

国際会議会議録
1. M. Unger et al., ”Report of the Working Group on the Composition of 2 Ultra-High Energy
Cosmic Rays”, The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)
2. M. Hayashi et al., ”Calibration of fluorescence detector using the flying standard lightsource for Telescope Array observatory”, The 34th International Cosmic Ray Conference(ICRC2015)
3. D. Bergman, Y. Tsunesada and J. Krizmanic, ”The NICHE Array: Status and Plans”,
The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)
4. P.K. Mohanty et al., A new method for determining atmospheric pressure coeﬃcient using
fast Fourier transform for muons in the GRAPES-3 experiment , The 34th International
Cosmic Ray Conference (ICRC2015)
5. H. Kojima et al., Rigidity dependence of the intensity variations of galactic cosmic rays
, The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)
6. H. Kojima et al., An estimation of the diﬀusion coeﬃcient of galactic cosmic rays in the
heliosphere near the Earth , The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)
7. S. Konishi, Y. Nishimoto, R. Onogi, Y. Takahashi, T. Goto and S. Ogio for the Telescope Array collaboration, ”Development of the TALE Surface Detector Array”, The 34th
International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)

国際会議講演
1. 荻尾彰一：”Development of the TALE Surface Detector Array”（ポスター）, オランダ・
デン・ハーグ、”International Cosmic Ray Conference”, 2015 年 7 月 30 日
2. 小島浩司： An estimation of the diﬀusion coeﬃcient of galactic cosmic rays in the heliosphere near the Earth （一般講演）, オランダ・デン・ハーグ、”International Cosmic Ray
Conference”, 2015 年 7 月 30 日

32

3. 常定芳基：“Cosmic Rays From The Ground” （招待講演）, イタリア・トリノ、“Topics On
Astrophysics and Underground Physics“、2015 年 9 月 7 日
4. 常定芳基：“Recent Results from The Telescope Array” （一般講演）, イタリア・トリノ、“Topics On Astrophysics and Underground Physics“、2015 年 9 月 9 日

学会・研究会講演
1. 岸上翔一：「TA 実験 273：TALE 実験地表検出器の運用状況と初期解析」日本物理学会
2015 年秋季大会 大阪市立大学
2. 西本義樹：「TA 実験 274：TALE 実験用地表検出器アレイのためのエレクトロニクスと検出器の開発 (2)」日本物理学会 2015 年秋季大会 大阪市立大学
3. 荻尾彰一：「超高エネルギー宇宙線観測による宇宙線起源探査」（シンポジウム講演） 日本
物理学会 2015 年秋季大会 大阪市立大学
4. 小島浩司：「大面積高精度 muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究 (16)」日本物理学会 2015 年秋季大会 大阪市立大学
5. 大嶋晃敏：「大型ミューオンテレスコープによる銀河宇宙線強度の観測」平成 27 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会 2015 年 12 月 18,19 日
6. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 ミューオン検出器の拡張計画の進捗状況」平成 27 年度名古屋大学
宇宙地球環境研究所研究集会 2016 年 3 月 4 日
7. 小島浩司：「大面積高精度 muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究 (17)」日本物理学会 第 71 回年次大会 東北学院大学
8. 常定芳基：「TA 実験 276: TA エネルギースケール」 日本物理学会 第 71 回年次大会 東北学院大学
9. 高橋優一：「TA 実験 279：TALE 実験用地表検出器アレイのためのエレクトロニクスと TALE
実験初期解析」日本物理学会 第 71 回年次大会 東北学院大学

その他
1. 荻尾彰一：2015 年 9 月 1 日 西宮市立西宮高校にて大学模擬授業
2. 常定芳基：2016 年 3 月 26 日 大阪府立大手前高校 SSH にて研究指導

学位論文
修士論文
1. 小西翔吾：「TALE 実験地表検出器のための新規無線 LAN モジュールを用いた制御・データ収集エレクトロニクスの開発」
2. 西本義樹：「TALE 実験用地表検出器のためのプラスチックシンチレーターと検出器容器の実験とモンテカルロシミュレーションによる性能評価」
3. 和知慎吾：「テレスコープアレイ実験の高精度エネルギー決定のための中央レーザー装置を用いた大気透明度の観測的研究」

博士論文
なし

33

研究助成金取得状況
1. 荻尾彰一：日本学術振興会・基盤研究 (S)「広エネルギー領域の精密測定で探る超高エネル
ギー宇宙線源の進化」(H15H05741A)、代表、1009.5 万円
2. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用費 「TALE 実験用地表検出器の開発と性能試験」、代表、45 万円
3. 荻尾彰一：日本学術振興会・特別推進研究「拡張テレスコープアレイ実験 - 最高エネルギー
宇宙線で解明する近傍極限宇宙」(H15H05693A)、分担、600 万円
4. 荻尾彰一：日本学術振興会・基盤研究 (B)「電波望遠鏡による最高エネルギー宇宙線検出」(K24340059)、分担、10 万円
5. 常定芳基：日本学術振興会・若手研究 (A)「銀河系・系外宇宙線のエネルギー境界の確定と宇宙線起源論」(26707011)、代表、620 万円
6. 常定芳基：日本学術振興会・特別推進研究「拡張テレスコープアレイ実験 - 最高エネルギー
宇宙線で解明する近傍極限宇宙」(H15H05693A) 、分担、1613 万円
7. 小島浩司：名古屋大学太陽地球環境研究所大型観測研究助成、代表、55 万円
8. 大嶋晃敏：名古屋大学太陽地球環境研究所一般研究助成、代表、9 万円
9. 大嶋晃敏：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費、代表、44 万円

海外出張および海外研修
1. 荻尾彰一：オランダ・デンハーグ、The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)、
研究発表、2015 年 7 月 29 日-8 月 8 日
2. 小島浩司：オランダ・デンハーグ、The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)、
研究発表、2015 年 7 月 28 日-8 月 6 日
3. 大嶋晃敏：オランダ・デンハーグ、The 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015)、
研究発表、2015 年 7 月 28 日-8 月 6 日
4. 岸上翔一：米国ユタ大学および TA 実験サイト、宇宙線観測実施、2015 年 8 月 4 日-9 月 23 日
5. 林嘉夫：インド・ウーティ、タタ基礎研究所、 GRAPES-3 実験ミューオン検出器増設のための比例計数管製作、2015 年 10 月 29 日-2016 年 10 月 13 日
6. 大野木瞭太：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、宇宙線観測実施、2015 年 10月 31 日-11 月 21 日
7. 和知慎吾：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、大気蛍光望遠鏡較正および宇宙線観測実施、2015 年 11 月 29 日-12 月 22 日
8. 小西翔吾：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、新型エレクトロニクスによる試
験観測、2015 年 11 月 29 日-12 月 30 日
9. 高橋優一：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、新型エレクトロニクスによる試
験観測、2015 年 11 月 29 日-12 月 30 日
10. 高橋優一：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、宇宙線観測実施、2016 年 1 月 20日-2 月 18 日
11. 大嶋晃敏：インド・ウーティ、タタ基礎研究所、GRAPES-3 実験空気シャワーアレイ整備と大型計算機の再構築、2015 年 3 月 21 日-28 日

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その他
1. 荻尾彰一：日本物理教育学会 近畿支部 庶務理事
2. 荻尾彰一：日本物理学会

2015 年秋季大会 実行委員

3. 常定芳基：日本物理学会『日本物理学会誌』編集委員

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高エネルギー物理学研究室
清矢 良浩 教 授
山本 和弘 准教授

金
竹崎
手島
原田
古谷

賢一
優斗
菜月
潤
優子

(M2)
(M2)
(M2)
(M1)
(M1)

東
佑真 (B4)
井上
翼 (B4)
森本 史明 (B4)

研究概要
1. 陽子・反陽子衝突型加速器を用いた素粒子実験（清矢，山本）
米国フェルミ国立加速器研究所の陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用型素粒子検出器
CDFを用いた実験のデータ解析を，昨年度に引き続き遂行した．データ取得自身は2011年9月末に終了しており，解析に使用できるデータ量は最終的に10fb−1である．今年度の主な結果の一つとして，単一トップクォーク生成断面積測定の最終結果が挙げられる．図1に，テバトロン加速器による陽子・反陽子衝突において，単一トップクォーク生成反応に対する主要な寄与をなす過程のファインマンダイアグラムを示す．左側が衝突前の粒子，右側が生成粒子である．慣例として(a)と

図 1: テバトロン加速器による陽子・反陽子衝突において，単一トップクォーク生成反応に対する主要な寄与をなす過程のファインマンダイアグラム．時間軸は右向きで，左側が衝突前の粒子，右側が生成粒子である．

(b)は 𝑡 チャンネルによる生成過程，(c)は 𝑠 チャンネルによる生成過程と呼ばれる．図からわかるように，これらは弱い相互作用を媒介する 𝑊 ボソンを介した反応になっており，より大きな生成断面積を持つ強い相互作用によるトップクォーク・反トップクォーク対生成とは独立である．
従って，素粒子物理学標準模型の検証という観点から単一トップクォーク生成事象の研究は重要な意義をもっている．𝑠 チャンネル単独の最終結果は，歴史上初めての観測という大きな意味もあるため優先的に解析が行われた．その結果については2013年度年次報告で既に紹介した．今回得られたのは 𝑡 チャンネル単独および s + 𝑡 チャンネルの解析結果であり，CDF実験の結果と，テバトロン加速器を用いたもう一つの実験グループ D0 の解析結果を統合したものである．これにより単一トップクォーク生成に関する解析が完結したことになる．解析手法は 𝑠 チャンネルの場合とほぼ同様である．即ち，多変量解析により 𝑡 チャンネル，𝑠 チャンネル，背景事象のそれ
ぞれの選別を最適化し，それに基づいて 𝑡 チャンネルおよび 𝑠 チャンネルの生成断面積をパラメータとする尤度を構成して最確値とその不定性を評価する．𝑠 チャンネル単独の場合も含めた結果を図2に示す．いずれの場合においても，標準模型との矛盾は無く，新現象の兆候は得られな
かった．またこの解析により，ファインマンダイアグラムの 𝑊𝑊𝑊 バーテックスに現れるCabibbo-Kobayashi-Maskawa 行列要素 𝑉𝑡𝑡 に対して，95% の統計的信頼度で |𝑉𝑡𝑡 | > 0.92 という制限が得られた．

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図 2: 単一トップクォーク生成断面積の測定結果．赤は CDF 実験グループの結果，青はテバトロン加速器を用いたもう一つの実験グループ D0 の結果．黒は両者を統合した結果である．灰色の網掛けは標準模型の予想値とその不定性を表している．

その他の解析の一つとして，標準模型のヒッグス粒子とは異なる新しいヒッグス粒子の探索を
引き続き行った．このヒッグス粒子はフェルミオンと相互作用しない性質をもつもので，少なくとも3つの光子を含む終状態を用いて探索することが可能である．ようやく最終結果が得られ，論文を投稿した．
2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本，金，原田）
昨年度に引き続きミューオン反ニュートリノ（𝜈̅𝜇 ）ビームモードのデータ取得を継続した．2014
年 6 月開始以来 2016 年 3 月末までに取得したデータ量は約6 × 1020 POT （Protons On Target：パイオン生成標的に照射した陽子数）である．既に取得したミューオンニュートリノ（𝜈𝜇 ）モードのデータとの比較により，レプトンセクターにおける CP 非対称性の測定に向けた解析が進められている．
一方，ニュートリノ反応断面積測定の結果の一つとして，𝜈𝜇 の炭素標的に対する荷電カレント
準弾性散乱断面積を図 3 に示す．これは，ビーム軸から 1.5 度だけ角度が離れ（Off-axis），また

図 3: 𝜈𝜇 の炭素標的に対する荷電カレント準弾性散乱断面積．黒い点が測定結果，横棒は各データポイントに対するニュートリノエネ
ルギーの広がりの目安，縦棒は測定の不定性を表す．図中の NEUT はモンテカルロシミュ
レーションを意味する．それ以外は他の実験等による測定結果である．

ニュートリノ生成標的から 280 m ビーム下流にある前置検出器 ND280 による測定結果である．
黒い点が測定結果，横棒は各データポイントに対するニュートリノエネルギーの広がりの目安，
縦棒は測定の不定性を表す．他の実験結果とモンテカルロシミュレーションによる予想も共に示されている．今回得られた測定結果が，他の断面積の値と不定性の範囲内で矛盾がないことがわかる．また，Off-axis 角 1.6 度における 𝜈̅𝜇 と鉄原子核との荷電カレント反応をモンテカルロシ

37ミュレーションと比較したところ，良い一致を示すことが分かった（金）．
T2K のニュートリノ振動解析における系統誤差を抑制するため，新しい前置検出器の開発・研究も進めた．この検出器は，図 4 に示すようにプラスチックシンチレータを格子状に組み上げた構造をしており，入射ニュートリノビームに対して大角度に散乱する事象の検出効率が高い．検出器モジュールごとに格子の中に入れる物質を，例えば水やプラスチック等と変えれば，ほぼ同
じフラックス特性を持つニュートリノビームを用いた高精度の断面積比を求めることが可能となる．使用されるプラスチックシンチレータには溝があり，そこに波長変換ファイバーを埋め込ん
でオプティカルセメントで接着する．この接着を効率良くかつ一様な品質で行うために，図 5 のような自動接着システムを開発した（金）．接着後には宇宙線による光量測定を行い，光量のばらつきが 10% 程度と妥当な値であることを確認した（原田）．

図 4: 新しい前置検出器の基本的な構造．格子状に組んだプラスチックシンチレータ，水平と鉛直方向に並んでいるプラスチックシンチレータが交互に設置される．

図 5: プラスチックシンチレータと波長変換ファイバーの自動接着システム．

3. 荷電レプトンフレーバー非保存過程探索実験（清矢，山本，竹崎，手島，古谷，東，井上，
森本）
原子に束縛されたミュー粒子が電子に直接的に転換する過程，いわゆるミュー粒子・電子転換
過程，を探索する実験 DeeMe の立ち上げを引き続き遂行した．今年度も電子を検出するガス飛跡検出器 MWPC の研究・開発を行った．特にミュー粒子生成標的に陽子が衝突する際に発生する大量の荷電粒子（プロンプトバースト）によって MWPC が飽和することを回避しかつプロン
プトバースト直後の遅延タイミングで飛来する信号電子を検出するため，革新的技術である HV
スイッチング機構の開発を継続した．その結果，プロンプトバースト直後の遅延タイミングにおいてのみ MWPC を瞬間的に ON にするようなスイッチング形式にすれば MWPC が長時間にわたって安定に動作することが分かった．図 6 に，J-PARC の物質・生命科学実験施設において行ったビームテストで得られた MWPC の典型的な出力波形を示す（手島）．HV スイッチングに起因する大きなノイズによる数μ秒の不感時間の後に MWPC が動作可能になっていることが38

わかる．今後は，この不感時間の短縮が開発の焦点となる．また，HV 電源の高速かつ高度な制御の必要性から single-board computer による HV コントロールシステムを開発した（竹崎）．
また，運動量測定のために使用される電磁石の磁場マップ測定システムの開発と実際の測定を行った（古谷）．図 7 は運動量測定用電磁石の外観である．図 8 に，上下の磁極の中間において測定した磁場の鉛直成分と磁場計算プログラムによる計算値の比較を示す．概ね実測結果を再現していることがわかるが，より詳細な比較と測定磁場の不定性の運動量測定への影響などが今後の検討内容である．
さらに，半導体光検出器 MPPC 読み出しによるシンチレーティングファイバー飛跡検出器開発のため，今年度も MPPC の基礎特性の測定について 4 年生に検討してもらった．

図 6: HV スイッチングを適用しているガス飛跡検出
器 MWPC の増幅器後の出力波形．赤は平均波形で，HV スイッチングにより誘導される大きな電気信号のために出力が部分的に飽和していることがわかる．
黒は単一電子を検出している場合の波形．青は，黒から平均波形を差し引いた波形で，時間的にはいつも同じタイミングで発生する飽和等のノイズがほぼ除かれていることがわかる．

図 7: 運動量測定用電磁石．高さ 2.5 m，幅 0.7 m，
長さ 2.35 m，コイルの巻き数は上下それぞれ 132．
重さ 29.5 t ．電源 65 V．最大電流 500 A．

図 8: 上下の磁極の中間における磁場の鉛直成分．赤が実測結果．黒は Opera3D と呼ばれる磁場計算プロ
グラムによって求められた期待される磁場の値．

39

教育・研究業績
学術論文
1. K. Abe, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) : “Neutrino
oscillation physics potential of the T2K experiment”, Progress of Theoretical and Experimental
Physics 2015, 043C01 (2015).
2. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Constraints on Models of the Higgs Boson with Exotic Spin and Parity using Decays to
Bottom-Antibottom Quarks in the Full CDF Data Set”, Physical Review Letters 114, 141802 (2015).
3. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration and D0
Collaboration) : “Tevatron Constrains on Models of the Higgs Boson with Exotic Spin and Parity
Using Decays to Bottom-Antibottom Quark Pairs”, Physical Review Letters 114, 151802 (2015).
4. K. Abe, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K
experiment with 6.6 × 1020 protons on target”, Physical Review D 91, 072010 (2015).
5. K. Suzuki, K. Yamamoto et al. : “Measurements of the muon beam direction and muon flux for the
T2K neutrino experiment”, Progress of Theoretical and Experimental Physics 2015, 053C01 (2015).
6. K. Abe, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration) : “Physics potentialof a long-baseline neutrino oscillation experiment using a J-PARC neutrino beam andHyper-Kamiokande”, Progress of Theoretical and Experimental Physics 2015, 053C02 (2015).
7. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of central exclusive 𝜋 + 𝜋 − production in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 0.9 and 1.96 TeV at
CDF”, Physical Review D 91, 091101(R) (2015).
8. K. Abe, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurements of the 𝜈𝜇 charged current quasielastic cross section on carbon with the T2K on-axis
neutrino beam”, Physical Review D 91, 112002 (2015).
9. K. Abe, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurements of the electron neutrino charged-current interaction rate on water with the T2K
ND280 𝜋 0 detector”, Physical Review D 91, 112010 (2015).
10. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the production and differential cross sections of 𝑊 + 𝑊 − bosons in association withjets in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review D 91, 111101(R) (2015).
11. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for Resonances Decaying to Top and Bottom Quarks with the CDF Experiment”, Physical Review
Letters 115, 061801 (2015).
12. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the top quark mass in the 𝑡𝑡̅ dilepton channel using the full CDF Run II data set”,
Physical Review D 92, 032003 (2015).
13. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “First
measurement of the forward-backward asymmetry in bottom-quark pair production at high mass”,
Physical Review D 92, 032006 (2015).
14. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration and D0
Collaboration) : “Tevatron Combination of Single-Top-Quark Cross Sections and Determination of
the Magnitude of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Matrix Element 𝑉𝑡𝑡 ”, Physical Review Letters
115, 152003 (2015).
15. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Study ofthe energy dependence of the underlying event in proton-antiproton collisions”, Physical Review D 92,
092009 (2015).
16. K. Abe, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurements of the 𝜈𝜇 charged current quasielastic cross section on carbon with the ND280
detector at T2K”, Physical Review D 92, 112003 (2015).
17. K. Abe, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) : “Upper
bound on neutrino mass based on T2K neutrino timing measurements”, Physical Review D 93,
012006 (2016).

40

18. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the single top quark production cross section and |𝑉𝑡𝑡 | in 1.96 TeV 𝑝𝑝̅ collisions
with missing transverse energy and jets and final CDF combination”, Physical Review D 93, 032011(2016).
19. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the 𝐵𝑐± production cross section in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, PhysicalReview D 93, 052001 (2016).
20. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of vector boson plus 𝐷 ∗ (2010)+ meson production in 𝑝̅ 𝑝 collisions at √𝑠 = 1.96
TeV”, Physical Review D 93, 052012 (2016).

国際会議会議録等
1. 手島 菜月 : ”Development of a high-rate tolerant HV-switching multi-wire-proportional chamber
and its readout electronics for DeeMe experiment” (poster), Proceedings of Flavor Physics and CP
Violation 2015 (FPCP2015), 2015年5月25日～29日, Nagoya, Japan, PoS (FPCP2015) 061

国際会議講演等
1. 手島 菜月 : ”Development of a high-rate tolerant HV-switching multi-wire-proportional chamber
and its readout electronics for DeeMe experiment” (poster)，Flavor Physics and CP Violation 2015
(FPCP2015)，2015年5月25日～29日，Nagoya，Japan
2. 金 賢一 : “New experiment at J-PARC to measure the neutrino cross section ratio between waterand hydrocarbon” (poster)，The international workshop on future potential of high intensity proton
accelerator for particle and nuclear physics 2015 (HINT2015)，2015年10月13日～15日，Tokai, Ibarak,
Japan

学会・研究会講演等
1. 金 賢一：「WAGASCI 検出器－水とプラスチックのニュートリノ反応断面積比精密測定－」，第 5 回高エネルギー物理 春の学校 2015，2015 年 6 月 10 日～12 日，滋賀県大津市びわこクラブ
2. 手島 菜月：「ミューオン電子転換過程探索実験 DeeMe のための Radeka 2 段型 MWPC 読
み出しアンプの開発」，第 5 回高エネルギー物理 春の学校 2015，2015 年 6 月 10 日～12日，滋賀県大津市びわこクラブ
3. 山本 和弘：「ミュオン電子転換過程探索実験－DeeMe－：準備状況（4）」，日本物理学会
2015 年秋季大会，2015 年 9 月 16 日～19 日，関西大学 千里山キャンパス
4. 手島 菜月：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる MWPC 読み出し回路のビームテスト結果」，日本物理学会 2015 年秋季大会，2015 年 9 月 25 日～28 日，大阪市立大学 杉
本キャンパス
5. 竹崎 優斗：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe で使用するガス飛跡検出器 MWPC のための
HV 制御システムの開発」，日本物理学会 2015 年秋季大会，2015 年 9 月 25 日～28 日，大阪
市立大学 杉本キャンパス
6. 金 賢一：「新ニュートリノ検出器 WAGASCI 製作のためのプラスチック‐ファイバー接着システムの開発」，日本物理学会 2015 年秋季大会，2015 年 9 月 25 日～28 日，大阪市立大学 杉本キャンパス
7. 古谷 優子：「DeeMe 実験スペクトロメータ電磁石の磁場測定とシミュレーションとの比較」，
日本物理学会第 71 回年次大会，2016 年 3 月 19 日～22 日，東北学院大学 泉キャンパス
8. 金 賢一：「新ニュートリノ検出器 INGRID Water Module 製作のためのプラスチックシンチ
レータ‐ファイバー接着システムの開発」，日本物理学会第 71 回年次大会，2016 年 3 月 1941

日～22 日，東北学院大学 泉キャンパス
原田 潤：「新ニュートリノ検出器 INGRID water module における宇宙線を用いたシンチレータの光量評価」，日本物理学会第 71 回年次大会，2016 年 3 月 19 日～22 日，東北学院大学
泉キャンパス
10. 手島 菜月：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる検出器のビームテスト結果Ⅱ」，
日本物理学会第 71 回年次大会，2016 年 3 月 19 日～22 日，東北学院大学 泉キャンパス
11. 竹崎 優斗：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe で使用するガス飛跡検出器 MWPC のための
HV 制御システムの開発」，日本物理学会第 71 回年次大会，2016 年 3 月 19 日～22 日，東北学院大学 泉キャンパス

9.

学位論文
卒業論文
1. 東 佑真，井上 翼，森本 史明：「MPPC の基礎特性」

修士論文
1. 金 賢一：「Measurement of neutrino interactions at an off-axis angle 1.6 degrees using thenear-detector INGRID and development of a new neutrino near-detector for the T2K neutrino
oscillation experiment」
2. 竹崎 優斗：「ミューオン・電子転換過程探索実験 DeeMe で使用する MWPC のためのワイヤー間放電試験と HV 制御システムの開発」
3. 手島 菜月：「ミューオン・電子転換過程探索実験 DeeMe のための MWPC 読み出し
用 Radeka 2 段型アンプの開発」

研究助成金取得状況
1.

清矢 良浩：新学術領域研究「ニュートリノフロンティアの融合と進化」計画研究 A01 「加速器ニュートリノビームによるニュートリノフロンティアの展開」（分担）直接経費：50万円，間接経費：15万円

その他
1.
2.

清矢 良浩：日本物理学会2015年秋季大会開催実行委員長
山本 和弘：日本物理学会2015年秋季大会開催実行委員

42

重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)田越 秀行 (准教授)
端山 和大 (特任助教)
横澤 孝章 (JSPS 特別研究員 (PD))
上野 昂 (博士研究員)
金山 雅人 (博士研究員)
成川 達也 (博士研究員)

山本 尚弘 (D3)
田中 一幸 (D2)有馬 司 (M2)中尾 隼人 (M1)
鍛治 毅 (B4)

譲原 浩貴 (D3)宮本 晃伸 (M2)中西 雄大 (M1)

研究概要
重力波の初観測2015 年度は、ついに米国 LIGO 実験により、重力波の直接観測がなされた。物理学史上において記録される出来事であり、我々の進める研究も大いに活性化した。また、日本における重力波
データ解析の拠点として、重力波初観測についての解析などにも対応した。この初観測された重力波 ‘GW150914’ イベントは、解析の結果、太陽質量の 30 倍程度のブラックホール連星の合体であった。

大型低温レーザー干渉計型重力波望遠鏡 KAGRA
KAGRA（旧称 LCGT）は東大宇宙線研究所をホストとした共同研究であり、現在、岐阜県神岡鉱山内に基線長 3km のレーザー干渉計を建設中である。KAGRA は長基線のレーザー干渉計を、
地下の静謐で安定した環境に設置することで、高感度と安定した稼働を目指す。また、低温サファ
イア鏡による熱雑音抑制を最大の特徴とし、次世代のレーザー干渉計検出器としての先進的な試みでもある。
本件研究室は KAGRA において、データ取得・転送系、データ解析（重力波イベントの探索）、
検出器診断、などを担い、計画の中核として研究を進めている。
2015 年の時点で、KAGRA はトンネルなどの実験施設の第１期工事が完成した。この時点で、
KAGRA の全体のシステムとしての動作を確認するために、最初の観測運転が行われた。これを“iKAGRA’ と呼称している。ただし、iKAGRA においては鏡は常温であり、低温懸架系はまだ完成しておらず、また干渉計方式も最終的なパワー・シグナルリサイクル型の Fabry=Perot=Michelson
ではなく、単純な Michelson 型である。したがって干渉計としての感度は特にこだわらないが、
KAGRA 全体を通して端から端までのシステム、すなわち、レーザー、入射光学系、干渉計制御、
リモート制御、データ取得、データ転送と保管、データ解析、といった一連の部分を全てつない
での観測運転が行われた。iKAGRA 観測運転は 2016 年 3 月 25-31 日と 2016 年 4 月 11-25 日の２期に分けて行われ、前半が 2015 年度内に無事行われた。本研究室では、データ転送系とデータ解
析を中心に、iKAGRA の観測に貢献した。

新学術領域研究「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
KAGRA の最初の観測運転のデータの転送を本計画研究で準備した計算機システムでリアルタイ
ムに受信、記録した。これに合わせて重力波イベント探索のためのパイプラインの開発を進めた。
またイベント探索だけでなく、このデータを用いて検出器の状態評価などの解析も着手された。また本年度は米国 LIGO 実験での重力波の初観測にともない、その解説も研究の一環として行った。
見つかった重力波の源は、そのほかの計画研究とともに検討を行っていた初代星 (Population III)である可能性があり、たいへん重要なトピックに着目していた事が示された。

43

図 1: 大阪市立大学に設置した KAGRA のデータを受け取る解析用クラスタ。全体で 424 コアのCPU、288TiB のデータ記録容量を持つ。

また、クラスタ計算機のストレージ増強：KAGRA の観測データを受信・記録するためにストレージを増強し、計 288 TiB のデータ保管を可能にした (図 1) 。KAGRA からこの計算機へ自動で観測データが転送されるようにシステムを構築した。岐阜県神岡鉱山内の KAGRA 検出器から本計算機にデータファイル転送完了するまでの待ち時間は約３秒である。
さらに、 KAGRA 解析ライブラリ KAGALI の整備：解析ライブラリの整備が急速に進んだ。

KAGRA データ解析
本研究室のメンバーは、KAGRA プロジェクトにおいてデータ取得・転送系の構築と管理、データ解析（重力波信号探査）、レーザー干渉計診断などを担っており、KAGRA のデータ関連の中核
グループとなっている。また、それだけでなく、重力波を用いたブラックホール、中性子星、超新星爆発といった天体物理学の研究の可能性についても研究を行っている。
KAGRA のデータ解析ソフトウエアの基盤として、KAGALI と名付けられたデータ解析ライブ
ラリを開発している。これは主に C 言語で開発されており、統一されたコード規約に従ってコードが書かれ、バグを防ぐためのコード内でのエラーハンドリング機構などが導入されているなど、将来的な資産となるように注意深く開発されている。また、多人数での開発に対応できるよう、バージョン管理システムとして git リポジトリで管理されており、毎夜コードが自動でコンパイルされエラーチェックされる機構も導入されている。
本年度は KAGRA の観測運転へ向けて KAGALI の開発が進展した。開発されているパイプラ
インは、レーザー干渉計の主要なターゲットであるコンパクト連星合体解析のためのオフライン
解析パイプライン、中性子星連星合体重力波を 4 秒程度の遅延時間で解析可能な高速処理パイプ
ライン、超新星爆発などからのバースト重力波探査パイプライン、ラジオメトリ探査パイプライ
ンなどである。

レーザー干渉計診断
これまで KAGRA のための検出器診断システムの開発研究を進めており、各種診断ツールや遠隔地からの監視システムを開発してきた。そして、2016 年 3 月に行われた KAGRA の試験観測では、そのシステムの 24 時間稼働を行うことができた。
これらの他に、検出器の雑音の特性診断や、雑音源解明のための新しい手法の開発も行っている。レーザー干渉計の雑音に存在するラインノイズの周波数・振幅の時間発展を従来にない精度

44でリアルタイムにモニターできるソフトウェアを開発した。例えば 60 Hz の交流電源由来のラインに対しては 0.1 Hz 程度の分解能で常時モニターできることが実証された。これは狭いバンド領域に複数のラインが短時間しか現れないような場合でも各成分を分解して抽出できるので、特にノイズ源の特定への活用が期待される。
また、重力波検出器の雑音がもつ非ガウス成分の雑音分布を定量化する新しい手法を構築した。
この手法を用い、KAGRA, LIGO の観測データから 100 秒程度の時間スケールで現れる非ガウス性や、数時間に渡り常に非ガウス性が有為になる時間、周波数の抽出に成功した。更に、レーザー干渉計の各種センサー間の雑音の相関解析の手法として、非線形相関を抽出可能な MIC 法に着目し、具体的なレーザー干渉計のノイズモデルを用いて、従来の相関解析では検出出来ない非線形相関を検出出来ることを示した。これらの新しい手法は今後の KAGRA 検出器の雑音診断にも応用される。

重力波によるサイエンス、天体物理と重力理論の制限
連星中性子星合体は有望な重力波源であり、重力波観測から中性子星の状態方程式に制限を付けることができると期待されている。最近の数値シミュレーションによると、中性子星内部におけるハイペロンの存在が、重力波の振動数変動に顕著な違いを生むことが明らかになってきた。この違いを捉えるために、時間-周波数解析手法の一つである Hilbert-Huang 変換の有効性を調べた。
大質量中性子星が 10Mpc 遠方にあると想定すれば、重力波の振動数変動を誤差 5%以下で捉えることに成功し、ハイペロンの有無について明確に区別できることを示した.
超新星爆発の３ D シミュレーションで得られた重力波形を用いて、近い将来行われるだろう
KAGRA-LIGO-Virgo のレーザー干渉計ネットワークによる観測でそれらがどのように検出され、検出された重力波信号データからどのようなことがわかるかを議論した。我々は、コアバウンス、
プロンプトコンベクション、SASI、そして非軸対称性不安定性が起こり爆発に至るという各物理
ストーリーを、重力波の成分として取り出し、それらがどこまで見えるのかを調べる手法を提案した。また、超新星爆発からの重力波の検出は従来コアバウンスをメインとして検出方法が提案されてきたが、本研究によって、非軸対称モードからの重力波成分を捉えることが重力波の検出
効率の上昇に大きな影響を与えることを明らかにした。
近い将来銀河内超新星爆発が発生した場合、様々な信号によるマルチメッセンジャー解析が展開されることが期待されている。特に重力波、ニュートリノ信号は超新星爆発内部の情報を直接運んでくるため、メカニズム解明に向けた先駆的解析手法の開発が注目されている。ΔΣ modulatorの原理を利用した特徴信号摘出手法の確立に向けた研究を行い、銀河中心で超新星爆発が起こった場合、ニュートリノのフラックスの揺らぎが 10%程度存在したらハイパーカミオカンデ検出器
においてポアソン統計に打ち勝ち検出可能であることを示した。今後は重力波とのコインシデン
ス解析を進めることを計画している。
ゼロ金属量の星、Population III (Pop III) 星は存在が予言されているが、未観測である。われわれは、重力波観測と理論計算による連星ブラックホールの質量分布を尤度で解析し、重力波観測による Pop III 星の間接的存在証明の可能性を議論した。現在の重力波検出器で 60 個程度、検出することにより 90%以上の確率で可能であることを示した。
コンパクト連星合体から放出される重力波波形のデータ解析による一般相対性理論の検証可能性をベイジアン・オッズ比に基づき評価した。LIGO によって検出された重力波イベントも連星ブ
ラックホール合体起源であり, このイベントに対して一般相対性理論からのずれをパラメータ化することによって, 制限された。連星中性子星合体から放出された重力波では, 連星の軌道離心率や潮汐効果が重力波波形に影響する. 我々は, 連星中性子星合体から放出された重力波による一般相対性理論のずれを制限する際, 軌道離心率と潮汐効果の系統バイアスの影響も調べた. その結果, これらの影響は深刻な影響を引き起こさないことを定量的に示した.

45

国際研究集会の主催
Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2015 ( GWPAW2015, 重力波の物理と天文の国際会議 2015 ) について、主催者の一部として、また研究室メンバー全体により多大な貢献をおこなったので特記しておく。
Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop は 1996 年から毎年開催されている重力波関連の国際会議であり、世界中の重力波検出実験からデータ解析と理論を中心に第一線の研究者が会する。また近年では、可視光・赤外光天体観測や X 線・ガンマ線天文観測、ニュートリノ観測などの研究者も多数参加している。2015 年度は、2002 年以来の日本での開催で、大阪市立大学、京都大学ほかを中心に主催した。本研究室は、会議のサイエンス委員、現地委員ともに多数を引き受けた。期間、参加者数などを以下に記す。
会議名
期間
場所
参加者
参加国数
招待講演
一般講演
ポスター
運営補助

Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2015
２０１５年 ６月１７日〜２０日
インテックス大阪 国際会議場
１３３名
１６カ国
１４件
２９件
６６件
大阪市立大学学長裁量経費 (H26,H27 年度)、京都大学教育研究振興財団

多数の参加者と発表があり、会議は盛況であった。また本学からは学長裁量経費による補助を受け、会場費用を賄うことができた。

46

教育・研究業績
学術論文
1. T.Yokozawa, M.Asano, T.Kayano, Y.Suwa, N.Kanda, Y.Koshio, M.Vagins, “Probing therotation of core-collapse supernova with a concurrent analysis of gravitational waves andneutrinos”, The Astrophysical Journal Volume 811, Issue 2, article id. 86, 12 pp. (2015)
2. Masato Kaneyama, Ken-ichi Oohara, Yukitsugu Sasaki,Hirotaka Takahashi, Jordan B.
Camp, “On Completeness and Orthogonality of Intrinsic Mode Functions to Search for
Gravitational Waves”, ICIC Express Letters Part B : Applications Vol.6 No.2 2015 pp.
343-349
3. Tatsuya Narikawa, Koh Ueno, Hideyuki Tagoshi, Takahiro Tanaka, Nobuyuki Kanda,
Takashi Nakamura, “Detectability of bigravity with graviton oscillations using gravitational wave observations”, Physical Review D 91, Issue 6, 062007 (2015) (14 pages) 2015
4. Aasi,J. et al., “Characterization of the LIGO detectors during their sixth science run”,
Classical and Quantum Gravity Vol.32, 115012-1 - 115012-30 (2015)
5. Aasi,J et al., “Searching for stochastic gravitational waves using data from the two colocated LIGO Hanford detectors”, Physical Review D?91, 022003-1 - 022003-1-22 (2015)
6. Tomoya Kinugawa, Akinobu Miyamoto, Nobuyuki Kanda and Takashi Nakamura, “Thedetection rate of inspiral and quasi-normal modes of Population III binary black holes
which can confirm or refute the general relativity in the strong gravity region”, MNRAS
456, 1093 - 1114 (2016)
7. K.Hayama, T. Kuroda, T. Takiwaki, K. Kotake, “Coherent network analysis of gravitational waves from three-dimensional core-collapse supernova models”, Physical Review D
92, 122001 (2015)

国際会議会収録
1. Tatsuya Narikawa, “Model-independently testing gravitational theory with gravitationalwave observations”, JGRG25 proceeding
2. T.Yokozawa, M.Asano, T.Kayano, Y.Suwa, N.Kanda, Y.Koshio, M.Vagins,“Probing Explosion Mechanism of Supernova Using Both Gravitational Waves and Neutrinos with Realistic Detector Response”, Proceedings of “14th Marcel Grossmann Meeting(MG14)”
3. A.Miyamoto, T.Kinugawa, T.Nakamura, N.Kanda, “Discrimination of Pop III Stars by
Detection of GWs from Binary Black Hole Coalescences”, proceedings of 14th Marcel
Grossmann Meeting (MG14)
4. Nobuyuki Kanda on behalf of the KAGRA collaboration, “Status of KAGRA -construction,commissioning and data distribution toward the first operation in 2015-”, proceedings of
14th Marcel-Grossmann Meeting (MG14)

学会・研究会講演[国際会議]
1. Nobuyuki Kanda, KAGRA collaboration ,“KAGRA and the Global Network of Gravitational Wave Detectors - Construction Status and Prospects for GW Astronomy with Data
Sharing Era -”, 21st International Conference on Computing in High Energy and Nuclear
Physics CHEP2015 2015/4/14 OIST, Okinawa Japan 招待講演

47

2. Hirotaka Yuzurihara and 7 people ,“Development of oﬀ-line search pipeline for gravitational waves from compact binary coalescences toward KAGRA observation run”, Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop(GWPAW) 2015 2015/6/17 Osaka, Japan
3. Takahiro Yamamoto and 7 people ,“Revealing Non-Gaussianity of Gravitational Wave
Detector Noise”, Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop(GWPAW) 2015
2015/6/17 Osaka, Japan
4. K.Ueno, H.Tagoshi, T.Narikawa, N.Kanda, and K.Oohara ,“Toward low-latency detectionof gravitational waves from compact binary coalescence with KAGRA”, Gravitational
Wave Physics and Astronomy Workshop(GWPAW) 2015 2015/6/17 Osaka, Japan
5. A.Miyamoto, and 3 people ,“Possible measurement of Pop III mass distributions by GW
detection”, Gravitational Wave Physics Astronomy Workshop (GWPAW) 2015/6/17 Osaka, Japan
6. Masato Kaneyama, Ken-ichi Oohara, Takashi Wakamatsu, Hirotaka Takahashi and Jordan
B. Camp ,“Reconstruction of waveform for Burst Gravitational Waves with the HilbertHuang Transform”, Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop(GWPAW) 2015
2015/6/17 Osaka, Japan
7. Kazuhiro Hayama ,“Observations of Gravitational Waves from Three-Dimensional CoreCollapse Super- nova Models?”, Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop(GWPAW)2015 2015/6/17 Osaka, Japan
8. T. Narikawa, K. Ueno, H. Tagoshi, T. Tanaka, N. Kanda, and T. Nakamura ,“Detectabilityof graviton oscillations using gravitational wave observations”, Gravitational Wave Physics
and Astronomy Workshop(GWPAW) 2015 2015/6/17 Osaka, Japan
9. T.Yokozawa, other 6 people ,“Probing explosion mechanism of supernova using both gravitational waves and neutrinos with realistic detector response”, Gravitational Wave Physics
and Astronomy Workshop(GWPAW) 2015 2015/6/19 Osaka, Japan
10. K.Ueno, H.Tagoshi, T.Narikawa, N.Kanda, and K.Oohara ,“Toward low-latency detectionof gravitational waves from compact binary coalescence with KAGRA”, 11th Edoardo
Amaldi Conference on Gravitational Waves 2015/6/21 Gwangju, South Korea
11. Nobuyuki Kanda, KAGRA dmg group ,“KAGRA DMG Status”, The Eighth Japan-Korea
Joint Workshop on KAGRA 2015/6/27 Gwangju, South Korea
12. Nobuyuki Kanda on behalf of the KAGRA collaboration ,“Status of KAGRA -construction
and commissioning toward the first operation in 2015-”, 14th Marcel Grossmann Meeting
2015/7/13 University of Rome, Italy 招待講演
13. T.Yokozawa, other 6 people ,“Probing Explosion Mechanism of Supernova Using Both
Gravitational Waves and Neutrinos with Realistic Detector Response”, 14th Marcel Grossmann Meeting (MG14) 2015/7/13 University of Rome, Italy
14. A.Miyamoto, and 3 people ,“Discrimination of Pop III Stars by Detection of GWs from
Binary Black Hole Coalescences”, 14th Marcel Grossmann Meeting (MG14) 2015/7/13
University of Rome, Italy[国内会議]
1. 横澤孝章 , 「超新星爆発におけるニュートリノ信号と重力波信号の相関」, ハイパーカミオ
カンデにおける宇宙ニュートリノ観測 2015/5/19 神戸大学
2. Hideyuki Tagoshi , “Preparation for the gravitational wave observation with KAGRA”,
18th Capra Meeting on Radiation Reaction in General Relativity 2015/6/29 京都大学基礎物理学研究所 招待講演

48

3. Hirotaka Yuzurihara , “Applying a novel method for finding correlated features in gravitational wave detectors”, 新学術 Bi-Monthly Workshop(10th) 2015/7/15 大阪市立大学
4. Hideyuki Tagoshi , “Status of the preparation for the KAGRA data analysis”, 新学術領域
隔月研究会 2015/8/7 大阪市立大学
5. T. Narikawa , “Model-independent tests of gravity theory with gravitational-wave detectors”, 新学術領域「重力波天体」Bi-Monthly Workshop (10th) focus on A04 2015/8/7 大
阪市立大学
6. Masato Kaneyama, Ken-ichi Oohara, Takashi Wakamatsu, Hirotaka Takahashi and Jordan
B. Camp , “The Hilbert-Huang transform in search for burst gravitational-waves”, 新学術
Bi-Monthly Workshop(10th) 2015/8/7 大阪市立大学
7. T. Narikawa , “Model-independent tests of gravity theory with KAGRA”, The 12th KAGRA face-to-face meeting 2015/8/28 富山大学
8. 田越秀行 , 「重力波による宇宙の観測とデータ解析」, 統計関連学会連合大会 2015/9/6 岡山大学 招待講演
9. Kazuhiro Hayama on behalf of KAGRA collaboration , “Status of KAGRA?”, 日本天文学会 2015 年秋季年会 2015/9/11 甲南大学
10. 田越秀行他 , 「iKAGRA ヘ向けた解析パイプライン開発状況」, 日本物理学会 2015/9/27
大阪市立大学11. 横澤孝章, 他 4 名 , 「重力波、ニュートリノの同時観測による超新星爆発衝撃波復活メカニ
ズム解明に向けた研究」, 日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
12. 成川達也,KAGRA DAS , 「重力波を用いた重力理論の検証に向けたデータ解析パイプライン」, 日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
13. 譲原浩貴, 仏坂健太, 久徳浩太郎, 田越秀行, 柴田大, 神田展行 , 「地上重力波検出器を用いた中性子星連星合体後の重力波解析」, 日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
14. 山本尚弘, 端山和大, 間野修平, 神田展行, 田越秀行 , 「非ガウス性モニタを用いた重力波探索手法への非ガウス雑音モデルの組み込み」, 日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大
阪市立大学
15. Takahiro Yamamoto , “Characterizing non-Gaussianity of GW detetor signal”, 新学術
Bi-Monthly Workshop(10th) 2015/9/27 大阪市立大学
16. 上野昂, 他３４名 , 「iKAGRA へ向けたコンパクト連星合体 low latency 探査パイプライン
開発状況」, 日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
17. 金山雅人、大原謙一、高橋弘毅、Jordan B. Camp , 「バースト重力波の Hilbert ー Huang
Transform を用いた波形再構築」, 日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
18. Kazuhiro Hayama et al. , “KAGRA detector characterization :開発進捗状況 (III)”, 日本
物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
19. 神田展行、他１３名 , 「iKAGRA データ転送・保管システムの開発 II (ソフトウエア開発)」,
日本物理学会 2015 年秋季大会 2015/9/27 大阪市立大学
20. 成川達也 , 「重力波観測による重力理論の検証」, 宇宙物理 (重力)・素粒子研究室コロキウ
ム 2015/10/9 大阪市立大学
21. Kazuhiro Hayama , 「超新星爆発からの重力波とその観測（招待講演）」, 理論天文学研究
会 2015/10/28 伊豆大仁ホテル
22. 成川達也 , 「重力波観測による重力理論の検証」, 宇宙・高エネルギー大講座 談話会 2015/12/2
大阪市立大学49

23. T. Narikawa , “Model-independently testing gravitational theory with gravitational-wave
observations”, JGRG25 2015/12/7 京都大学
24. Takaaki Yokozawa , “Neutrino and GW in Supernovae”, A03 bi-monthly workshop 2015/12/17
Okayama University
25. Hideyuki Tagoshi , “Status of KAGRA Data Analysis Group”, 新学術領域「重力波天体」
シンポジウム 2016/2/19 東京大学 IPMU
26. T. Yamamoto, K. Hayama, S. Mano, Y. Itoh, and N. Kanda , “Characterization of NonGaussianity in Gravitational Wave Detector Noise”, 新学術領域「重力波天体」4th Annual
Symposim 2016/2/19 IPMU UTokyo
27. M. Kaneyama, K. Oohara, H. Takahashi, Y. Sekiguchi, H. Tagoshi, and M. Shibata ,“Analysis of GWs from Binary Neutron Stars Merger by Hilbert-Huang Transform”, 新学
術領域「重力波天体」4th Annual Symposim 2016/2/19 IPMU UTokyo
28. 横澤孝章, 他 4 名 , 「重力波、ニュートリノの同時観測による超新星爆発からの特徴的信号
摘出に向けた研究」, 日本物理学会第 71 回年次大会 2016/3/22 東北学院大学
29. 成川達也, 田越秀行 , 「コンパクト連星合体重力波を用いた一般相対性理論の検証」, 日本物理学会第 71 回年次大会 2016/3/22 東北学院大学
30. 宮本晃伸, 他 3 名 , 「重力波の検出分布を用いた重力波源分布の再構成」, 日本物理学会第71 回年次大会 2016/3/22 東北学院大学
31. 横澤孝章, 他 4 名 , 「重力波、ニュートリノの同時観測による超新星爆発からの特徴的信号
摘出に向けた研究」, 日本物理学会第 71 回年次大会 2016/3/22 東北学院大学
32. 譲原浩貴, 他 32 名 , 「KAGRA データ解析 : 重力波探索パイプラインの開発状況」, 日本物理学会 第 71 回年次大会 2016/3/22 東北学院大学
33. 山本尚弘, 端山和大, 間野修平, 神田展行, 田越秀行 , 「非ガウス性指標を用いた検出器雑音の特徴抽出および重力波探索における非ガウス性の導入」, 日本物理学会 第 71 回年次大会
2016/3/22 東北学院大学
34. 金山雅人, 大原謙一, 高橋弘毅 , 「スパース性を利用した重力波の時間-周波数解析」, 日本
物理学会 第 71 回年次大会 2016/3/22 東北学院大学

その他
卒業研究
1. 鍛治 毅「重力波に対する検出器の応答と取得される波形信号についての研究」2015.3.10

学位論文
修士論文
1. 宮本晃伸「連星ブラックホール合体重力波の観測による種族 III 星の存在証明の可能性 (Prospectof detecting the signature of population III stars with the observation of gravitational
waves from binary black hole coalescence)」2015.2

研究助成金取得状況
1. 科学研究費補助金 新学術領域研究 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
計画研究 A04「多様な観測に連携する重力波探索データ解析の研究」（代表：神田展行、分担：田越秀行ほか、H24-28 年度）

50

2. 科学研究費補助金 新学術領域研究 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
総括班 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開の総括的研究」（代表：中村卓
史 (京都大学)、分担：神田展行ほか、H24-28 年度）
3. 学術研究助成基金助成金「GPGPU の高度並列化計算による KAGRA データの解析」（基盤(C)、代表：神田展行、H26-28 年度）
4. 学術研究助成基金助成金「先進的重力波検出器によるコンパクト連星合体重力波のデータ解析」（基盤 (C)、代表：田越秀行、H27-29 年度）
5. 科学研究費補助金「数値相対論による重力波源の研究」（基盤（C）、代表：柴田大（京都大学）、分担：田越秀行ほか、H24-27 年度）
6. H27 年度大阪市立大学学長裁量経費 国際会議開催費補助 (会議名：「重力波の物理と天文の国際会議 2015」)

海外出張および海外研修
1. 田越秀行, 上野 昂, 神田展行, “11th Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves”,
Gwagnju, KOREA, 6/22-26
2. 田越秀行, 上野 昂, 神田展行, “8th KAGRA Japan-Korea meeting”, Gwagnju, KOREA,
2015/6/27
3. 神田展行, 横澤孝章, 宮本晃伸 “14th Marcel-Grossman Meeting”, University of Rome ”La
Sapienza” - Rome, July 12-18, 2015
4. 神田展行, “Taiwan-Japan Workshop on KAGRA”, 清華大学, 台湾, 2015/12/22-24,

外国人研究者受け入れ
1. Zong-Hong Zhu, Department of Astronomy, Beijing Normal University,
Fan Zhang, Department of Astronomy, Beijing Normal University,
Junwei Cao, Tsinghua University, Beijing,
Zhoujian Cao, Academy of mathematics and systems science, Chinese academy of sciences,
2015/12/2-6
2. Nguyen Quynh Lan, Hanoi National University of Education,
2016/2/24-26

主催、共催の研究会
1. Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop (GWPAW) 2015, 17-20 June, 2015,
Osaka, Japan
2. 科研費新学術領域「重力波天体」領域研究会（第１０回）, ２０１５年８月７日 １０：０
０−１６：００, 大阪市立大学 理学研究科
3. 科研費新学術領域「重力波天体」第４回領域シンポジウム, ２０１６年２月１８日 (木) ー２
０日 (土), Kavli IPMU-カブリ数物連携宇宙研究機構（東京大学 柏キャンパス）51

宇宙・素粒子実験物理学研究室
寺本吉輝
中野英一

准教授
准教授

岡本一希 (M2)
林 大樹 (M2)飯田彬斗 (B4)
室山玄太 (B4)
森慎太郎 (B4)

研究概要
1.

KEK B ファクトリー加速器による素粒子実験 (Belle 実験).(寺本，中野，林)高エネルギー加速器研究機構の KEKB 加速器を用いた Belle 国際共同実験を行なっている. 大阪市立大学の研究グループはBelle 測定器の最も外側に位置する KL 中間子/μ 粒
子検出器 (KLM) の読み出しおよび μ 粒子同定を担当している.Belle 実験は，KEKB 加速器を用いて電子・陽電子対消滅反応によって大量に生成される B 中間子対の崩壊過程
から，CP 対称性の破れの検証や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である (学術論文 2，3，5〜10，12，15，19〜21，23〜26， 28，31).また，チャームク
ォーク対生成事象や (学術論文 11，22，27，29)，τ レプトン対生成事象 (学術論文 2)，
高統計のデータを利用して共鳴状態の探索を行なっている (学術論文 1，4，13，14，16，
30，32).また，QCDの研究も行っている（学術論文 17，18）．これらのうち論文 1 では，
電子陽電子の衝突過程の詳細な観測によってΥ(10860)とΥ(11020)の生成断面積を確立した（図１）.また，1999 年から始まった2つの B ファクトリー実験 (Belle 実験，BaBar
実験) で収集されたデータサンプルを統合した最初のCP非対称度の解析を行い(論文12)，B 中間子の崩壊過程 B→DCPπ0 過程を発見した．さらに，B 中間子の崩壊過程において発見された X(3872)粒子が，二光子過程においても存在するかを探索し，その結果を学位論文にまとめた（修士論文 2）．

2.

マイクロパターン・ガスディテクター (MPGD) の研究開発.(中野)
薄型で2次元読み出しを行なえるガス検出器の1つであるガス電子増倍器 (GEM) の他分野への応用をはかる目的で，高エネルギー加速器研究機構，杏林大学，近畿大学との共同研究を行ない，Heベースガスを用いた物質量が少ない GEM の開発，中性粒子測定用
GEM の開発を進め， GEM の応答を理解するために荷電粒子と検出器の反応をシミュレー
トするプログラム (GEANT4) や電場計算プログラム (Maxwell) と検出器シミュレーショ
ンプログラム (Garfield) を用いた GEM のシミュレーションを行なっている.

3.

平行板型素粒子検出器の研究開発.(寺本，森)
高抵抗板素粒子検出器 (RPC) は，平行な高抵抗板の間にガスを入れ，高抵抗板間に 8∼ 10 kV の電圧を印加することにより，荷電粒子がこれを通過したとき，その位置と時間を測定できる装置である.2015 年度は，前年度に引き続き，ガラスの替わりにメラミ
ン樹脂を用いた RPC の開発を進め，卒業研究としてまとめた．

52

we allow the three kn to float and constra
to a common value. We find k1 ¼ 1.04
pﬃﬃﬃ
pﬃﬃﬃ
0.87
( 0.17, k3 ¼ 1.07 ( 0.23, and δn
0
2
2
F n ð sÞ ¼ Φn ð sÞ · fjA5S;n f 5S j þ jA6S;n f 6S j
The results of the fit are shown in Tableþ 2kn A5S;n A6S;n ℜ½eiδn f 5S f &6S 'g:
ð3Þ
As a systematic check, we fit with kn fixed t
three δn allowed to float independently;−0.5 ( 1.9, δ2 ¼ −1.1 ( 0.5, and δ3 ¼ 1.0
resonance masses and widths change very
To measure Rb , we select bb̄ events by refive charged tracks with transverse mom
100 MeV=c that satisfy track quality crittheir impact parameters relative to the IP. E
have more than one ECL cluster with
100 MeV,pﬃﬃﬃ a total energy in the ECL bet
0.8 × s, and an energypsum
ﬃﬃﬃ of all charg
photons exceeding 0.5 × s. We demand
structed event vertex be within 1.5 and 3.5
the transverse and longitudinal dimensions
and parallel to the eþ beam), respectively
events of non-bb̄ origin, events are furthsatisfy R2 < 0.2, where R2 is the ratio of t
zeroth Fox-Wolfram moments [14].
The selection efficiency ϵbb̄;i for the iestimated via MC simulation based on Ev
GEANT3 [16]. Efficiencies are determined fpﬃﬃﬃ
open bb̄ event found at s ¼ 10.866 GeV: B
ð&Þ ð&Þ
Bs B̄s . As the relative rates of the different
only known at the on resonance point, we taof the highest and lowest
pﬃﬃﬃﬃﬃ efficiencies a
difference divided by 12 as its uncertaiof ϵbb̄ increases approximately linearly from
74% over the scan region. The value at the
point is in good agreement with ϵbb̄ determ
known event mixture [11].
Events passing the above criteria include
continuum (q ¼ u; d; s; c), and bottomonia
ISR: eþ e− → γΥðnSÞ (n ¼ 1, 2, 3). The num
FIG. 1. (From top) RΥðnSÞππ data with results of our nominal fit
events is
図１ 上から順に，Υ(1S)ππ:Υ(2S)ππ:Υ(3S)ππ:bクォーク対の生成比のエネルギーfor Υð1SÞ; Υð2SÞ; Υð3SÞ; R0b , data with components of fit: total22
依存性．点線等はフィットの結果得られた各成分の依存性．
(solid curve), constants jAic j (thin), jAc j (thick); for Υð5SÞ
"(thin) and Υð6SÞ (thick): jfj2 (dot-dot-dash), cross terms with Ac
X(dashed),andtwo-resonance
cross
term
(dot-dash).
Error
bars
N i ¼ Li × σ bb̄;i ϵbb̄;i þ σ qq̄;i ϵqq̄;i þ
σ ISR
4. ネットワーク型宇宙線観測装置を使った宇宙線観測.(寺本)include the statistical and uncorrelated systematic uncertainties.

都道府県にまたがって時間相関を持って到来する宇宙線を観測するために，宇宙線の到来時間を GPS を用いてマイクロ秒の精度で決定できる空気シャワー観測装置を作り，高011101-4
校や科学館などに配備している.2015 年度も引き続き宇宙線を観測し，データを収集した.

5.

Belle II ドリフトチェンバー(CDC)の準備研究.(中野，岡本)2016 年度にビームの衝突開始が予定されている SuperKEKB 加速器を使った Belle II 実
験の中央飛跡検出器 (CDC) の建設を進めている.今年度は宇宙線を使った飛跡再構成の試験を進めた．信号読み出し用の電子回路が，予算の関係で一部しか納入されていない
ため，CDC のワイヤーとの接続を定期的に変更して，全てのワイヤーからの信号読み出しを確認した．この作業によって，電子回路のデッドチャンネルとCDCのデッドワイヤーを確認した．また，2013 年に Spring-8 の LEPS ビームを用いて，CDCの試作品によるテスト実験のデータを解析し，飛跡検出の位置分解能を評価した．その結果，約 100 μm と期待通りの値を得ることができた（図２）．この結果と昨年度に行った各種試験の結果を学位論文にまとめた（修士論文 1）．

53

センスワイヤー付近やセルの端にあたる不部分では悪くなっていることが分かる。これらの解析結果から、各角度や Layer で数値の違いはあるが、全体で見ると位置分解能は約 100μm であると見積もった。これは前章で述べた要求を満たしている。

図２ 試作チェンバーのレイヤーによる分解能のドリフト距離依存性の例．センスワイ
図 5.5.1 位置分解能の入射位置依存性分布（30°、 左上から右に順へ
0〜8 Layer）
ヤーに対するビームの入射角３０°の場合．縦軸，横軸ともに単位はcm．ドリフト距離の広い範囲で分解能は 100 μm 以下であり，80 μm 程度の場合もある．
6.

検出器の開発（中野，飯田，室山）
数年前に他分野の学術誌で報告されたが，これまでに高エネルギー物理学実験に使用されていなかった検出器をこの分野で使用可能か検証を行った．一つは，有機シンチレー
ターの代わりに PET 素材を用いたシンチレーション検出器の開発，もう一つは，ガスを用いた検出に広く使われる希ガスと炭化水素ガスを使用しないガス検出器の開発である．
前者は前年度から，PET 素材を変更して引き続き行ったものであるが，前年度と同じく否定的な結果を得た．後者については，主成分として用いた窒素ガスの不足のため，ガスの成分比の変更を十分には行えなかったが，窒素と二酸化炭素の組合せが有望である
ことを確認できた．それぞれの結果は卒業研究としてまとめた．

54

教育・研究業績
学術論文
1. “Measurements of the $¥Upsilon$(10860) and $¥Upsilon$(11020) resonances via$¥sigma(e^+e^-¥to ¥Upsilon(nS)¥pi^+ ¥pi^-)$”
By Belle Collaboration (D. Santel et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.1, 011101. (Jan,2016)
2.

“Measurement of the direct $CP$ asymmetry in $¥bar{B}¥rightarrow
X_{s+d}¥gamma$ decays with a lepton tag”
By Belle Collaboration (L. Pesántez et al.).
Phys.Rev.Lett. 114 (2015) no.15, 151601. (Apr. 2015)

3.

“Search for B decays to final states with the $¥eta_c$ meson”
By Belle Collaboration (A. Vinokurova et al.).
JHEP 1506 (2015) 132. (June,2015)

4.

“Observation of X(3872) in B→X(3872)Kπ decays”
By Belle Collaboration (A. Bala et al.).
Phys.Rev. D91 (2015) no.5, 051101. (Mar., 2015)

5.

“Search for the decay $B^+¥rightarrow¥overline{K}{}^{*0}K^{*+}$ at Belle”
By Belle Collaboration (Y.M. Goh et al.).
Phys.Rev. D91 (2015) no.7, 071101. (Apr., 2015)

6.

“Measurement of the branching fraction of B^+ -> tau^+ nu_tau decays with thesemileptonic tagging method”
By Belle Collaboration (B. Kronenbitter et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.5, 051102. (Sep., 2015)7.

“Evidence for the decay $B^{0} ¥to ¥eta ¥pi^0$”
By Belle Collaboration (B. Pal et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.1, 011101. (Jul., 2015)

8.

“Semi-inclusive studies of semileptonic $B_s$ decays at Belle”
By Belle Collaboration (C. Oswald et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.7, 072013. (Oct., 2015)

9.

“Measurements of $B¥rightarrow ¥bar{D} D_{s0} ^{*+}(2317)$ decay rates and a search
for isospin partners of the $D_{s0}^{*+} (2317)$”
By Belle Collaboration (S.-K. Choi et al.).
Phys.Rev. D91 (2015) no.9, 092011, Addendum: Phys.Rev. D92 (2015) no.3, 039905. (Aug.,2015) (May, 2015)

10. “Search for $B^+ → ℓ^+ν_ℓγ$ decays with hadronic tagging using the full Belle data
sample”
By Belle Collaboration (A. Heller et al.).
Phys.Rev. D91 (2015) no.11, 112009. (Jun., 2015)
11. “Study of $D^{**}$ production and light hadronic states in the $¥bar{B}^0 ¥to D^{*+}¥omega ¥pi^-$ decay”
By Belle Collaboration (D. Matvienko et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.1, 012013. (Jul., 2015)55

12. “First Observation of CP Violation in $¥overline{B}^0 ¥to D^{(*)}_{¥rm CP} h^0$ Decays
by a Combined Time-Dependent Analysis of BABAR and Belle Data”
By BaBar and Belle Collaborations (A. Abdesselam et al.).
Phys.Rev.Lett. 115 (2015) no.12, 121604. (Sep., 2015)
13. “Measurement of $e^+e^- ¥to ¥gamma¥chi_{cJ}$ via initial state radiation at Belle”
By Belle Collaboration (Y.L. Han et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.1, 012011. (Jul., 2015)
14. “First observation of the hadronic transition $ ¥Upsilon(4S) ¥to ¥eta h_{b}(1P)$ and newmeasurement of the $h_b(1P)$ and $¥eta_b(1S)$ parameters”
By Belle Collaboration (U. Tamponi et al.).
Phys.Rev.Lett. 115 (2015) no.14, 142001. (Sep., 2015)
15. “Measurement of the branching ratio of $¥bar{B} ¥to D^{(¥ast)} ¥tau^¥bar{¥nu}_¥tau$ relative to $¥bar{B} ¥to D^{(¥ast)} ¥ell^- ¥bar{¥nu}_¥ell$ decays withhadronic tagging at Belle”
By Belle Collaboration (M. Huschle et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.7, 072014. (Oct., 2015)
16. “Energy scan of the $e^+e^- ¥to h_b(nP)¥pi^+¥pi^-$ $(n=1,2)$ cross sections and evidence
for $¥Upsilon(11020)$ decays into charged bottomonium-like states”
By Belle Collaboration (A. Abdesselam et al.).
Phys.Rev.Lett. 117 (2016) no.14, 142001. (Sep., 2016)
17. “Study of $¥pi^0$ pair production in single-tag two-photon collisions”
By Belle Collaboration (M. Masuda et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.3, 032003. (Feb., 2016)
18. “Inclusive cross sections for pairs of identified light charged hadrons and for single protons
in $e^+e^-$ at $¥sqrt{s}=$ 10.58 GeV”
By Belle Collaboration (R. Seidl et al.).
Phys.Rev. D92 (2015) no.9, 092007. (Nov., 2015)
19. “First model-independent Dalitz analysis of $B^0 ¥to DK^{*0}$, $D¥to
K_S^0¥pi^+¥pi^-$ decay”
By Belle Collaboration (K. Negishi et al.).
PTEP 2016 (2016) no.4, 043C01. (Apr., 2016)
20. “Observation of $B^{0} ¥rightarrow p¥bar{¥Lambda} D^{(*)-}$”
By Belle Collaboration (Y.Y. Chang et al.).
Phys.Rev.Lett. 115 (2015) no.22, 221803. (Nov., 2015)
21. “Search for $B^0 ¥to ¥pi^- ¥tau^+ ¥nu_¥tau$ with hadronic tagging at Belle”
By Belle Collaboration (P. Hamer et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.3, 032007. (Feb., 2016)
22. “Measurement of $D^0 – ¥bar {D^0}$ mixing and search for CP violation in $D^0 ¥to K^+
K^−, ¥pi^+ ¥pi^−$ decays with the full Belle data set”
By Belle Collaboration (M. Starič et al.).
Phys.Lett. B753 (2016) 412-418. (Feb., 2016)
23. “Study of $¥mathbf{B^{0}¥rightarrow¥rho^{+}¥rho^{-}}$ decays and implications for the
CKM angle $¥mathbf{¥phi_2}$”
By Belle Collaboration (P. Vanhoefer et al.).

56

Phys.Rev. D93 (2016) no.3, 032010. (Feb., 2016)
24. “Measurement of the decay $B¥to D¥ell¥nu_¥ell$ in fully reconstructed events anddetermination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element $|V_{cb}|$”
By Belle Collaboration (R. Glattauer et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.3, 032006. (Feb., 2016)
25. “Observation of the decay $B_s^0¥rightarrow K^0¥overline{K}^0$”
By Belle Collaboration (B. Pal et al.).
Phys.Rev.Lett. 116 (2016) no.16, 161801. (Apr., 2016)
26. “Inclusive and exclusive measurements of $B$ decays to $¥chi_{c1}$ and $¥chi_{c2}$ at
Belle”
By Belle Collaboration (V. Bhardwaj et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.5, 052016. (Mar., 2016)
27. “Search for the rare decay $D^0¥to¥gamma¥gamma$ at Belle”
By Belle Collaboration (N.K. Nisar et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.5, 051102. (Mar., 2016)
28. “First observation of the decay B$^0¥to ¥psi$(2S)$¥pi^0$”
By Belle Collaboration (V. Chobanova et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.3, 031101. (Jun., 2016)
29. “First Observation of Doubly Cabibbo-Suppressed Decay of a Charmed Baryon:$¥Lambda^{+}_{c} ¥rightarrow p K^{+} ¥pi^{-}$”
By Belle Collaboration (S. B. Yang et al.).
Phys.Rev.Lett. 117 (2016) no.1, 011801. (Jun., 2016)
30. “Observation of Zb(10610) and Zb(10650) Decaying to B Mesons”
By Belle Collaboration (A. Garmash et al.).
Phys.Rev.Lett. 116 (2016) no.21, 212001. (May, 2016)
31. “Search for the decay B0→ϕγ”
By Belle Collaboration (Z. King et al.).
Phys.Rev. D93 (2016) no.11, 111101. (Jun., 2016)
32. “Search for a massive invisible particle $X^0$ in $B^{+}¥to e^{+}X^{0}$ and $B^{+}¥to¥mu^{+}X^{0}$ decays”
By Belle Collaboration (C.S. Park et al.).
Phys.Rev. D94 (2016) no.1, 012003. (Jul., 2016)

学位論文
修士論文
1. 岡本一希：「Belle II 実験に用いる中央飛跡検出器の性能評価」
2. 林

大樹：「2光子反応による X(3872)粒子の探索」

57

素粒子論研究室
中尾憲一
教授
丸信人
准教授

鈴木良拓(博士研究員)
阿部博之(D6)
速水真裕(D5)
宇野竜矢(D4)
根岸宏行(D3)

赤井祐美(M1)
宮地昴志(M1)
枡矢大貴(B4)

研究概要
人類によるミクロ世界の認識は、物質→分子→原子→電子と原子核、原子核→ハドロン→
クォークと進んできました。電子は６種類確認されているレプトンと呼ばれるグループに属しています。また、クォークも６種類確認されています。さらに、これらの素粒子の間に働く相互作用を媒介するゲージ場の存在も確認されています。現在確認されている相互作用は、
重力、電磁気力、弱い力、強い力の４種類です。素粒子論研究室では、素粒子標準模型を超える物理の現象論、特に超対称性や高次元に基づいた現象論の研究に力を入れています。まら、宇宙論やブラックホール、そして重力崩壊による時空特異点の形成などに注目して、強い重力場の物理に関する研究を行っています。
素粒子論研究室において2015年度に行われた研究は以下の通りです。
1. ゲージ・ヒッグス統一模型における湯川結合およびヒッグス粒子質量の研究（丸）素粒子標準模型は現在までの実験事実を非常によく記述するが、未解決問題も多く存
在し標準模型を拡張した模型構築が必要不可欠である。その１つであるゲージ・ヒッグ
ス統一模型では、ヒッグス場を高次元ゲージ理論におけるゲージ場の一部とみなし、くりこみ不可能な理論に関わらず量子補正を考慮したヒッグス粒子の質量を有限に予言する。６次元模型では、摂動の最低次で125GeVより重いヒッグス粒子質量と電弱混合角が予言できるが、現実的な模型は知られていない。そこで、階数３のゲージ群の模型について現実的なヒッグス粒子質量と電弱混合角を実現する可能性を検討した(論文2)。また、
ゲージ・ヒッグス統一模型では、ヒッグス場はWilson line位相であり周期性をもつ。このことから湯川結合が標準模型の湯川結合から一般にずれる。ボトムクォークとタウレプ
トンの湯川結合について、そのずれを５次元模型を用いて解析し、LHCにおけるヒッグ
ス粒子のボトム、タウ崩壊で検出可能か調べた(論文1)。
2. 超対称例外群E6大統一理論におけるゲージ結合定数統一の研究（丸）例外群E6に加えてU(1)群をもつ超対称大統一理論において、ハイパー電荷U(1)YとU(1)の運動項混合、2ループくりこみ群を考慮して、標準模型のゲージ結合定数が摂動的に統一するか解析した。特に、摂動的統一が実現するためには大統一スケールの質量をもつ非
常に重い粒子の寄与が必要であることがわかり、そのサイズを見積もった(論文4)。
3. D項の真空期待値による超対称性の動力学的破れの機構のレヴュー（丸）2015年9月に本学にて開催された南部先生追悼シンポジウムにおいて講演した上記の一連の研究について、レヴュー論文を執筆した。特に、我々の提唱している超対称性の破れの新しい機構は、カイラル対称性を動力学定期に破る南部・ジョナラシーニョ模型と同様の機構によって実現することが最大の特徴で、従来の超対称現象論と異なる予言をするので注目に値する。

58

4. ダークエネルギー問題及びコペルニクス原理の検証（中尾，根岸）
我々の宇宙は現在、加速膨張しているように見える。より厳密に言うと、宇宙の物質・
輻射分布や空間の幾何学的性質が一様等方ならば、現在得られている観測結果は、宇宙空間の膨張速度が加速していることを意味する、ということである。さらに、アインシュタインの一般相対論が正しい重力理論だと仮定すると、この観測事実は負の圧力（正の張力）を持つダークエネルギーと名付けられた不可解なエネルギーが宇宙空間に満ち満ちているということを意味する。このダークエネルギーの起源は未だに不明で、この問題をダー
クエネルギー問題と呼んでいる。上記の説明から分かるように、観測事実からダークエネ
ルギーの存在を演繹するために２つの仮定をしている。一つ目は「宇宙は一様等方」、二つ目は「一般相対論が正しい」である。この二つの仮定のうち一つでも正しくないということになれば、ダークエネルギーの存在を仮定せずに観測事実の説明ができる可能性が存在する。
我々のグループは、ダークエネルギー問題に対する一つのアプローチとして、「我々の宇宙は一様等方」という仮定の妥当性に注目し研究を進めている。別の言い方をすると、「我々の住んでいる場所は特別な場所ではない」というコペルニクス原理の観測的検証に関する研究である。現在観測されている宇宙背景放射は、我々の固有速度が起源と考えられている双極子的な非等方性を除けば非常に等方的である。もしコペルニクス原理が妥当ならば、我々の場所以外でも宇宙は等方的に見えるはずである。幾何学的考察から、あらゆる点で等方な時空は一様等方であることがわかるので、コペルニクス原理を仮定すると宇宙背景放射の等方性は我々の宇宙の一様等方性を強く示唆する。しかし、もしコペルニ
クス原理が妥当ではなく、我々が宇宙の特殊な場所（例えば、我々の場所から見た場合だ
け等方に見える非一様な宇宙）に住んでいるとしたら、これまでの宇宙論は多少の変更を受けることになる。具体的に述べると、ダークエネルギー、ダークマター、そして元素の総量や空間の曲率といった宇宙論パラメターの測定値である。それゆえ、コペルニクス原理を観測的に確認する作業は、精密科学として進展著しい宇宙論において、その基礎をより堅固にするという非常に重要な意味を持つ。
昨年度から引き続き、名古屋大学の柳哲文助教と共同で、物質優勢の宇宙における極めて大きなボイドの中心に我々が位置する宇宙モデルの研究を密度ゆらぎの進化に注目して進めている。また、非コペルニクス的な非一様性が宇宙論パラメターの測定に与える影響に関する研究を進めた。
5. 過剰回転Kerr時空における衝突的ペンローズ過程（中尾）
回転しているブラックホールはエルゴ球と呼ばれる領域に取り囲まれている。このエルゴ球に侵入してきた１つの粒子が２つの粒子に崩壊すると、片方の粒子が負のエネルギーを持つことが可能である。元々の１つの粒子の持っていたエネルギーEは崩壊後も保存されるため、この事実はもう一方の粒子がEよりも大きなエネルギーを持ちうることを意味する。この大きなエネルギーを持った粒子が遠方に飛び去り、負のエネルギーの粒子がブ
ラックホールに落ち込むと、ブラックホールのエネルギー（回転エネルギー）が遠方に飛び去った粒子に持ち去られたことになる。このブラックホールからエネルギーが抜き取られる物理過程は、発見者の名前にちなんでペンローズ過程と呼ばれている。後に、粒子の崩壊ではなく、２つの粒子の衝突・散乱でも回転しているブラックホールからのエネルギ
ーの抜き取りも起こりうることが指摘され、衝突ペンローズ過程と名付けられた。近年、極大回転しているブラックホールでは、このエネルギー抜きとりの効率がいくらでも高くできるという指摘がなされ、現在でも議論は収束していない。本年度は立教大学、ケンブ
リッジ大学（UK）、タタ基礎科学研究所（インド）の研究者らと共同で、回転速度が臨界値を超えた過剰回転Kerr時空の場合の衝突ペンローズ過程を解析し、エネルギー抜き取りの効率に上限が無いことを示した。

59

6. 過剰回転Kerr時空の安定性（中尾）
これまでの研究から、臨界値をわずかに超えた角運動量を持つ Kerr時空は、事象の地平が存在せず、また重力ポテンシャルが深いので、原理的に観測可能な高エネルギー物理
現象が重力によって実現することが知られている。しかし、過剰回転しているKerr時空は線形摂動に対して不安定であるという研究結果が２つの研究グループから報告されている。この結果に基づき、この２つの研究グループは、我々の宇宙に過剰回転Kerr時空と類似の定常的な時空構造は現れないと主張している。本年度はタタ基礎科学研究所（インド）の研究者と共にこれまでの研究を精査し、「過剰回転Kerr時空と同様の時空構造は不安定だが、任意に長い時間存在しうる」ことを確認した。さらに、境界条件を変更して線形摂動の振る舞いの再解析を現在行なっている。
7. 一般相対論におけるLarge D limit（鈴木）
4つの相互作用をすべて統一的に記述する究極の理論の有力候補である超弦理論は、時空次元が10ないしは11であることを予言する。この理論に触発され、高次元の古典重力理論におけるブラックホール解の研究が、現在精力的に進められている。4次元時空の定常なブラック
ホールの事象地平のトポロジーは必ず球ですが、高次元時空では球とは限らないことが知られている。それゆえ、ブラックホールという呼び名をトポロジーが球の事象地平を持つものに限定し、一般のトポロジーの事象地平を持つものをブラックオブジェクトと呼んでいる。4次元時空ではブラックホールの安定性が詳しく調べられており，安定であることが知られているが、高次元時空におけるブラックオブジェクトの安定性は、数値的な解析が進められている最中である。ブラックオブジェクト解に多様性があるため、まだ調べ尽くされてはいな
い。また数値的な解析は、解析的な近似法による解析結果との比較による結果の確認が必要である。ところで、高次元極限 D→∞ をとると、摂動に対する基礎方程式は単純な形になり、解析的に解くことができる。我々の研究グループは、KEK及びバルセロナ大学の研究者と協力し、Dを有限だが大きな数字と仮定して、この解にD-1, D-2, D-3...に比例する補正を加えて有限次元の近似解を得る手法を開発した。今年度も昨年度と同様に、この手法を発展させ、非一様なブラックストリング解を求めるとともに、摂動を加えたときにどのように振る舞うのかを解析的に調べた。

教育・研究業績
著書
該当無し

学術論文
1. Y. Adachi and N. Maru: “Deviation of Yukawa Coupling in Gauge-Higgs Unification”, Eur. Phys.
J. Plus 130 (2015) no. 8, 168.
2. H. Negishi, K. Nakao, C-M. Yoo, R. Nishikawa: “Systematic error due to isotropic
inhomogeneities”, Physi. Rev. D92 (2015), 103003.
3. R. Suzuki, K. Tanabe: “Non-uniform black strings and critical dimension in the 1/D expansion”,
JHEP 1510 (2015) ,107.
4. R. Emparan, R. Suzuki, K. Tanabe: “Evolution and end point of the black string instability: Large
D solution”, Phys. Rev. Lett. 115 (2015), 091102.
5. K.Hasegawa, C.S. Lim, and N. Maru: “Predictions of the Higgs Mass and the Weak Mixing
Angle in the 6D Gauge-Higgs Unification”, J. Phys. Soc. Jap. 85 (2016) no. 7, 074101.
6. N. Maru: “Nambu-Jona-Lasinio Theory and Dynamical Breaking of Supersymmetry”, PTEP
2016 (2016) no.6, 06A102 (レヴュー論文).

60

7.
8.

9.

G.-C. Cho, N. Maru, and K. Yotsutani: “Perturbative Unification of Gauge Couplings in
Supersymmetric E6 Models”, Mod. Phys. Lett. A31 (2016) no.22, 1650130.
M. Patil, T. Harada, K. Nakao, P.S. Joshi, M. Kimura: “Infinite efficiency of the collisional
Penrose process: Can a overspinning Kerr geometry be the source of ultrahigh-energy cosmic
rays and Neutrinos?”, Phys. Rev. D93 (2016), 104015.
R. Emparan, K. Izumi, R. Luna, R. Suzuki, K. Tanabe: “Hydro-elastic complementarity in black
branes at large D”, JHEP 1606(2016), 117.

国際会議会議録
該当無し
国際会議講演該当無し
学会・研究会講演
1. 中尾憲一：「コンパクト天体の重力による光子の軌道角運動量の生成」，神戸大学・大学院理学研究科セミナー，2015年11月4日，神戸大学六甲台キャンパス．
2. 中尾憲一：「重力による光渦の生成：量子論的観点から」，第17回特異点研究会，2016
年1月9日〜11日，慶應大学日吉キャンパス．
3. 丸信人：「弦理論とゲージ・ヒッグス統一：ヒッグス場の起源」，弦理論と電弱宇宙論を結びつけるこれまでの研究の総括および将来へ向けた戦略的取組みのための研究打ち合わせ会，2016年3月14日，高エネルギー加速器研究機構．
4. 根岸宏行：「Remove systematic error due to isotropic inhomogeneities」，第71回日本物理学会年次大会，2016年3月19日— 3月22日，東北学院大学泉キャンパス．

その他
1. 丸信人：「物理学からの異次元ワールドへのお誘い」, 夢ナビライブ, 2015年6月20日, イ
ンテックス大阪にて講演．
2. 丸信人：「我々の宇宙は４次元なのか？-隠れた異次元空間のおはなし-」, 七夕講演会,
2015年7月4日, 大阪市立科学館にて講演．
3. 丸信人：「南部-Jona-Lasinio理論と超対称性の動力学的破れ」, 南部先生追悼シンポジウ
ム, 2015年9月29日, 大阪市立大学学術総合情報センターにて講演．
4. 中尾憲一：「ニュートンからアインシュタインへ」，一般相対性理論誕生100年記念市民講演会，2015年10月10日，大阪市立科学館プラネタリウムホール

学位論文
修士論文
該当無し
博士論文
該当無し

研究助成金取得状況
1.

中尾憲一：日本学術振興会科研費補助金・基盤研究(C)「相対論的非一様宇宙の研究」直61

接経費70万円, 間接経費21万円．

海外出張および海外研修
該当無し

外国人研究者招聘
1. 中尾憲一：Pankaj S. Joshi（インド共和国タタ基礎科学研究所）
・2015年9月19日〜29日：共同研究打ち合わせと日本物理学会秋の分科会にて招待講演
・2016年3月2日〜31日：共同研究打ち合わせ〔財源：大阪市大外国人招聘事業〕
2. 中尾憲一：Jun-Qi Guo（インド共和国タタ基礎科学研究所）
・2016年2月29日〜3月31日：共同研究打ち合わせ
3. 中尾憲一：Prashant Kochelakota（インド共和国タタ基礎科学研究所）
・2016年3月2日〜31日：共同研究打ち合わせ

その他
1.
2.
3.
4.

丸信人：素粒子論グループ 素粒子論委員
丸信人：日本学術振興会 特別研究員等審査会専門委員および国際事業委員会書面審査委
員
丸信人：日本学術振興会 平成26年度特別研究員等審査会専門委員表彰
丸信人：博士論文外部審査委員2件 (高エネルギー加速器研究機構，信州大学)

62

数理物理学研究室
糸山 浩司 (教授)森山 翔文 (准教授)吉田 愛 (研修生)

大田 武志 (OCAMI 研究員)
須山 孝夫 (OCAMI 研究員)
吉岡 礼治 (OCAMI 研究員)

出口 翔 (D5)樋ノ上 和貴 (D4)矢野 航平 (D3)

清重 一輝 (B4)松野 皐 (B4)矢野 勝也 (B4)

研究概要
1. 5 次元 Nekrasov 分配関数と q-頂点作用素 (糸山、大田、吉岡)
5 次元超対称ゲージ理論の Nekrasov 分配関数と, 2 次元の q-変形された共形ブロックが同じものだと主張するのが、「5 次元 Alday-Gaiotto-Tachikawa 対応」である。q-変形されていな
い共形ブロックは、自由場から構成された頂点作用素を用いて、クーロンガス表示できることが知られている。われわれは、このクーロンガス表示の q-変形をあたえるような q-頂点作
用素を構成した。4 点 q-共形ブロックと Nekrasov 分配関数を同一視するためには、頂点作用素の挿入位置をずらす必要があることを見出した。
2. KZ 方程式の解とその変形 (吉岡)ある極限における q-Virasono 代数とその自由場表示を用いて、アファイン sl(2) 代数に対す
る KZ 方程式の解を明示的に構成した。ゲージ理論における面演算子の挿入に対応する変形をその解に加える方法を見出し、変形された解の積分表示を得た。

3. 超弦理論振幅計算 (糸山、矢野)
世界面の両方の方向に任意の角度だけずれた genus one 超 Green 関数を求め、これを用いて超対称性が最大拡大されていない場合の振幅計算を遂行し、ダイアグラム的な表示を導入した。

4. 行列模型による超対称ゲージ理論の発展 (糸山、吉岡)
多くの模型に於いて 有効プレポテンシャルの低エネルギー極限が行列模型の自由エネルギーと同定できることを実証した： F = F 。

5. ABJM 行列模型における Giambelli 恒等式（松野、森山）
M 理論の M2 を記述する理論として ABJM 理論が提唱され、その分配関数や半分の超対称性を保つ Wilson ループ演算子の期待値は、局所化の発展を経て、有限次元の行列積分に帰着されることが先行研究からわかっていた。この行列積分は ABJM 行列模型と呼ばれ、背後にユニタリ超群のゲージ対称性を持つと思われる。行列模型において、Wilson ループ演
算子は、ユニタリ超群の指標である超 Schur 多項式となって現れる。古典的な数学の結果か
ら、一般表現の超 Schur 多項式は、すべての手と足を組み合わせたフック表現の超 Schur 多項式の行列式で与えられることが知られ、Giambelli 恒等式と呼ばれる。本研究では、経路積分前に成り立っていた Giambelli 恒等式が、（行列のランクを粒子数と見なした大正準集団において）経路積分をした後でも保たれることを証明した。これは系の背後にある対称性を強く反映しているものだと思われる。
6. OSp 行列模型：カイラル射影とインスタントン効果（須山、森山）
ABJM 行列模型の類似物として、ユニタリ超群を OSp 超群に変えた OSp 行列模型がある。
物理的には、向き付けを変えるオリエンティフォルドを導入することに相当する。本研究において、これらの行列模型は、ABJM 行列模型に対してカイラル射影を施したものになることを証明した。この関係式を用いて、インスタントン効果の関係式を得ることが出来た。
b 型クイバー Chern-Simons 行列模型の解析（森山）7. D
b 型クイバーに限られていた。本研究において、Db
これまでの行列模型の解析はほぼすべて A
型クイバーにも拡張できることを示した。これによって、解析の適用範囲が大きく広がった。

63

教育・研究業績
学術論文
1. S. Matsuno and S. Moriyama, “Giambelli Identity in Super Chern-Simons Matrix Model,”arXiv:1603.04124 [hep-th].
2. S. Moriyama and T. Nosaka, “Orientifold ABJM Matrix Model: Chiral Projections andWorldsheet Instantons,” JHEP 1606, 068 (2016) doi:10.1007/JHEP06(2016)068 [arXiv:1603.00615[hep-th]].
3. 糸山浩司，“行列模型による超対称ゲージ場の量子論の解明と進展”, 日本物理学会誌 809，
vol.71, No.9, 2016 P607-616 (Developments of Supersymmetric Gauge Theory by Matrices,
Hiroshi Itoyama, BUTSURI, the Physical Society of Japan) OCU-PHYS-444
4. H. Itoyama, T. Oota and R. Yoshioka, “q-Vertex Operator from 5D Nekrasov Function,” J.
Phys. A 49, no. 34, 345201 (2016) doi:10.1088/1751-8113/49/34/345201 [arXiv:1602.01209[hep-th]].
5. S. Moriyama and T. Suyama, “Orthosymplectic Chern-Simons Matrix Model and Chirality Projection,” JHEP 1604, 132 (2016) doi:10.1007/JHEP04(2016)132 [arXiv:1601.03846[hep-th]].
6. H. Itoyama and K. Yano, “Genus one super-Green function revisited and superstring amplitudes with non-maximal supersymmetry,” PTEP 2016, no. 3, 033B05 (2016) doi:10.1093/ptep/ptw019[arXiv:1512.07705 [hep-th]].
7. R. Yoshioka, “The integral representation of solutions of KZ equation and a modiﬁcation
by K operator insertion,” arXiv:1512.01084 [hep-th].
8. S. Moriyama and T. Suyama, “Instanton Eﬀects in Orientifold ABJM Theory,” JHEP
1603, 034 (2016) doi:10.1007/JHEP03(2016)034 [arXiv:1511.01660 [hep-th]].
9. Y. Hatsuda, S. Moriyama and K. Okuyama, “Exact instanton expansion of the ABJM partition function,” PTEP 2015, no. 11, 11B104 (2015) doi:10.1093/ptep/ptv145 [arXiv:1507.01678[hep-th]].
10. H. Itoyama and R. Yoshioka, “Developments of theory of eﬀective prepotential from extended Seiberg-Witten system and matrix models,” PTEP 2015, no. 11, 11B103 (2015)
doi:10.1093/ptep/ptv124 [arXiv:1507.00260 [hep-th]].
11. S. Moriyama and T. Nosaka, “Superconformal Chern-Simons Partition Functions of Aﬃne
D-type Quiver from Fermi Gas,” JHEP 1509, 054 (2015) doi:10.1007/JHEP09(2015)054[arXiv:1504.07710 [hep-th]].

国際会議講演
1. H. Itoyama, “q-Virasoro/W Block at Root of Unity, Parafermions and 2d-4d Connection”,
Mathematical Perspectives in String Theory, Physics Department, Graduate School of
Science, Kyoto University, Kyoto, Japan, 2015 年 8 月 6 日 招待講演
2. H. Itoyama, “Faces of Matrix Models in Quantum Field Theory and Statistical Mechanics”, PROGRESS AND TRENDS IN SCIENCE AND TECHNOLOGY, TO COMMEMORATE 10 YEARS OF PARTNERSHIP BETWEEN THE RUSSIAN FOUNDATIONFOR BASIC RESEARCH AND THE JAPAN SOCIETY FOR THE PROMOTION OF
SCIENCE, Lomonosov Building of The Moscow State University, Lomonosovsky Prospect
27, Building 1，Moscow, Russia, 2015 年 10 月 21 日, 招待講演

64

3. S. Moriyama, “Superconformal Chern-Simons Theory from Fermi Gas Approach”, Integrability in Gauge and String Theory 2015, 2015/07/14, King’s College London (UK).
4. S. Moriyama, “Super Chern-Simons Matrix Models & Chiral Projections”, 国際会議 “Duality, Integrability and Matrix Model”, 2016/03/08, 修善寺総合会館.
5. T. Oota, “q-Virasoro algebra at root of unity and 2d-4d connection”, 日本学術振興会二国間交流事業 (ロシア) 研究会 “Quantum Geometry, Duality and Matrix Models”, 2015 年 8月 29 日, Institute for Information Transmission Problems (Kharkevich Institute), Russian
Academy of Sciences, Moscow, Russia.
6. R. Yoshioka, “Integral representation of solutions of KZ equation and a modiﬁcation”, 日本学術振興会二国間交流事業 (ロシア) 研究会 “Quantum Geometry, Duality and Matrix
Models”, 2015 年 8 月 30 日 Institute for Information Transmission Problems (KharkevichInstitute), Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.

学会・研究会講演
1. 糸山浩司，大田武志，吉岡礼治, “Para-Virasoro Block and 5d Nekrasov Function at Rootof Unity , 日本物理学会 2015 年秋季大会, 大阪市立大学杉本キャンパス, 大阪，2015 年 9月 25 日2. 糸山浩司，丸信人，進藤哲央, “D-term triggered Dynamical SUSY Breaking 理論のヒッグ
スセクターとその物理 , 日本物理学会第 2015 年秋季大会, 大阪市立大学杉本キャンパス, 大阪，2015 年 9 月 25 日
3. 糸山浩司, “弦理論の始まりと日本の行列模型研究”, 南部陽一郎特別栄誉教授追悼シンポジ
ウム, 「学部生・大学院生・研究者が学ぶ南部先生の偉業」大阪市立大学学術情報センター
10 階大会議室， 2015 年 9 月 29 日
4. 糸山浩司, 「有効作用と超対称性の力学的破れ」, 高エネルギー加速器研究所理論センター,
one-day workshop on string theory perspectives to particle physics, 2016 年 3 月 14 日
5. S. Moriyama, “Superconformal Chern-Simons Theory from Fermi Gas Approach”, セミ
ナー 2015/05/21, KIAS.
6. 森山翔文, 「チャーン・サイモンズ理論から M 理論へ」, 談話会, 2015/06/10, 大阪市立大学.
7. 森山翔文, 「南部括弧に関する展望」, 南部陽一郎先生追悼シンポジウム「学部生・大学院
生・研究者が学ぶ南部先生の偉業」, 2015/09/29, 大阪市立大学.
8. 吉岡礼治, “The integral representation of solutions of KZ equation and its modiﬁcation by
K operator insertion”, 2016 年 3 月 21 日, 日本物理学会第 71 回年次大会, 東北学院大学泉キャンパス.

研究助成金取得状況
1. 糸山浩司：学術振興会 二国間交流事業 ロシアとの共同研究 “Faces of Matrix Models in
Quantum Field Theory and Statistical Mechanics”, 225 万
2. 森山翔文：学術振興会・基盤研究 (C)「チャーン・サイモンズ理論から M 理論へ」104 万円
3. 大田武志 (糸山浩司、吉岡礼治)：学術振興会・基盤研究 (C)「予期せぬ対称性とそのベキ根極限から探るゲージ理論と弦理論の可積分構造」234 万円

65

海外出張および海外研修
1. 糸山浩司：日本学術振興会二国間交流事業 (ロシア) 研究会 “Quantum Geometry, Duality
and Matrix Models”, 2015 年 8 月 29 日, Institute for Information Transmission Problems(Kharkevich Institute), Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia を主催・出席
2. 糸山浩司：10th anniversary symposium between JSPS and RFBR “PROGRESS AND
TRENDS IN SCIENCE AND TECHNOLOGY”, 2015 年 10 月 18 日-24 日、に出席・講演。
3. 森山翔文, 韓国 Korea Institute for Advanced Study, 2015 年 5 月 21 日-23 日, セミナー発表.
4. 森山翔文, 英国 King’s College London, 2015 年 7 月 12 日-19 日, Integrability in Gauge andString Theory 2015 出席, 講演.

その他
1. 糸山は丸と協力して、南部陽一郎本学特別名誉教授追悼シンポジウム「学部生・大学院生・研究者が学ぶ南部先生の偉業」2015 年 9 月 29 日, 大阪市立大学学術情報センター 10 階大会
議室を実施した。
2. 糸山は、日露共同研究国際研究会 Duality, Integrability and Matrix Model
24 日-28 日, Lebedev Physical Institute, Moscow でロシア側メンバーと共催

2015 年 8 月

3. 日露共同研究国際研究会 Duality, Integrability and Matrix Model 2016 年 3 月 7 日-9 日,
修善寺を糸山、菅野、土屋、森山が実施した。
4. 糸山は清矢・荻尾と協力して、副委員長として日本物理学会 2015 年秋季大会大阪市立大学開催に尽力した。
5. 糸山は主として小原・荻尾・丸・中尾と協力して大手前高校との高大連携 SSH をさらに推
し進めた。

66

宇宙物理研究室
石原 秀樹
浜端 広充

教授
准教授

松野 研 (数研研究員)
龍岡 聖満 (D6)桝田 篤樹 (D4)小川 達也 (D1)

寺前 柊斗 (M2）矢久間 司 (M2）安西 悠 (M1)
崔シモン (研究生)

研究概要＜重力理論分野＞
宇宙物理（重力）グループは，アインシュタインの一般相対性理論を基礎として， 宇宙における強い重力場を伴う物理的現象を重点的に研究している．素粒子論研究室とはコロキウム
を共同開催し，研究・教育も協力して行っている．また，数理物理研究室とも盛んな研究交流がなされている．2015年度に行った研究を以下にまとめる．
1. 高次元時空 （木村（ケンブリッジ大），松野，石原）（1）3次元空間が膨張し，1次元の余剰次元が収縮する5次元の宇宙モデルの中に存在する電荷をもったブラックストリングを表す厳密解の物理的性質を明らかにした．ケプラーの第3法則が近似的に成り立つことを示した．
（2）Kerr-Taub-bolt と呼ばれるリッチ平坦なユークリッド計量の空間を基底としてレンズ空間のトポロジーをもつ1対のブラックホール厳密解を構成した．無限遠のトポロジー
を固定しても，ホライズンのトポロジーには無限の可能性があることを示した．
光渦の生成と伝播（桝田,中尾，西川，南部（名古屋大），石原）光が進行方向を軸として軌道角運動量をもつ状態である光渦が知られている．曲がった時空を伝播する光渦の軌道と光渦ベクトルの伝播に関する連立方程式を導出した．また，
重力レンズによる波動の干渉によって，光渦が生成される過程について研究し，波の重ね合わせによって光渦が生じることを見出した．

2.

3. 余等質１の相対論的な紐の運動（古池（慶応大），森澤（大阪経法大），石原）Nambu-Gotoの方程式で記述される相対論的な紐の運動は，幾何学的な対称性を課すことによって，運動方程式を対称性の方向に射影した空間上の測地線方程式に帰着する．この紐を余等質１の紐という．５次元のAnti-de Sitter時空において余等質１の紐の方程式が可積分であること予想し，それを証明するアルゴリズムを作った．
ヒッグス スカラー場による電場の遮蔽（小川，石原）
宇宙初期の真空の相転移に際して生成されると考えられている宇宙ひもについて，U(1)対称性が自発的に破れれている複素スカラー場とゲージ場のモデルを用いて解析した．紐状の外部電荷が分布するとき，その周りに形成される宇宙ひもは，複素場の位相が回転することにより，電荷による電場を遮蔽することが明らかになった．

4.

5. プラズマ中の球対称非線形密度波による荷電粒子の加速（寺前，石原）プラズマ中の非線形平面密度波はソリトンとしてＫｄＶ方程式で記述されることが知られている．これを球対称系に拡張すると，時間とともに，半径が縮み，密度振幅が大きくなるような波動解が存在する．この波動を用いて荷電粒子を加速する機構があることを明らかにした．

67

6. 拡張された重力理論におけるブラックホール（松野，M.S. Rad (KAIST), S.H. Hendi,
A. Sheykhi (Shiraz U.)）
弦理論の低エネルギー極限であらわれるディラトン場や非線形に拡張された電磁場をもつ回転ブラックホール解を構成した．まず，Born-Infeldの作用積分において，Myers-Perry
ブラックホール解を拡張し，最大回転する高次元ディラトンブラックホール解を構成した．
ホライズンの大きさ、質量、電荷及び角運動量は、ディラトン場とBorn-Infeld場の大きさに強く依存することがわかった。また、指数型非線形電磁場をもち，ゆっくりと回転する4次元ディラトンブラックホール解を構成した。この解の場合、電磁場における非線形性は、ホライズンの大きさにのみ現れ，ブラックホールの質量，電荷及び角運動量には影響しないことがわかった．

＜流体・プラズマ物理分野＞
1. HALL MHD方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解（浜端）
理想および非理想の MHD 方程式に対する非線形磁気流体波について，これまで数多く厳密解を見いだしてきた．昨年度に引き続き HALL 効果を考慮した MHD 方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解について更に研究し，特殊な形ではあるが厳密な helical
対称解を見いだした．現在、より一般的な2次元，並進対称性，軸対称性および helical
対称性を持つ解を見いだすべく検討中である．
また，自己重力のある非理想の成層流体中で，温度勾配によりつくられる対流力が存在する場合の HALL MHD 方程式の非線形磁気流体波の厳密解についても研究し，2次元および並進対称性のある非線形磁気流体波の厳密解を見いだしている．更に，より一般的な厳密解を見いだすべく研究中である．また，軸対称性および helical 対称性を持つ解についても検討中である．
2. Firehose不安定の非線形発展（浜端）
温度異方性のあるプラズマ中で生じるマクロな不安定である firehose 不安定の非線形発展について研究し，イオンの有限ラーマー半径効果を考慮した CGL 方程式を数値解析することにより, firehose 不安定を表す解析解は安定的には存在できず，不安定はカオス的になっていくことを既に明らかにしている．数値解析の結果から，解析解がカオス解へ移行するに当たり，乱れの磁気エネルギーの空間一様性が壊れていく可能性があることがわかった．その点に着目し，昨年度に引き続き，空間非一様性の効果を取り入れた
基礎方程式系に基づいた firehose 不安定の非線形発展の数値解析を行いつつある．更に，
波動・粒子共鳴相互作用等の運動論的効果を考慮するため，Vlasov 方程式に基づく理論
解析および数値シミュレーションについても検討中である．
3. 大 振 幅 Alfvén波 の パ ラ メ ト リ ッ ク 不 安 定 （ 浜 端 ）大振幅Alfvén波はMHD方程式の厳密解の一つで，そのパラメトリック不安定について
数多くの研究がなされている．大振幅Alfvén波の解はMHDの極限ではVlasov方程式の厳密解でもあるが，そのパラメトリック不安定についてはほとんど研究がない．昨年度に引き続き，大振幅のAlfvén波のパラメトリック不安定への運動論的効果についての研究を
Vlasov方程式に基づいた線形解析によって行っている．また，太陽風プラズマの加熱等への応用についても検討中である．

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教育・研究業績
学術論文
1. “Orbital angular momentum of scalar field generated by gravitational scatterings”
Ryusuke Nishikawa, Ken-ichi Nakao, Atsuki Masuda, Yasusada Nambu, Hideki Ishihara. Jun 29,
2016. e-Print: arXiv:1606.09217 [gr-qc]
2. “Charged black strings in a five-dimensional Kasner universe”
Hideki Ishihara (Osaka City U.), Masashi Kimura (Cambridge U., DAMTP), Ken Matsuno
Phys.Rev. D93 (2016) no.2, 024037
3. “Extremal Einstein–Born–Infeld black holes in dilaton gravity”
Masoud Sepehri Rad (KAIST, Taejon), Seyed Hossein Hendi (Shiraz U. & RIAAM, Maragha),
Ken Matsuno, Ahmad Sheykhi (Shiraz U. & RIAAM, Maragha)
Annals Phys. 363 (2015) 485-495
4. “Slowly rotating dilatonic black holes with exponential form of nonlinear electrodynamics”
S.H. Hendi, A. Sheykhi (Shiraz U. & RIAAM, Maragha), M. Sepehri Rad (Unlisted, KR), K.
Matsuno. Gen.Rel.Grav. 47 (2015) no.10, 117
5. “A pair of extremal charged black holes on Kerr-Taub-bolt space”
Ken Matsuno, Hideki Ishihara (Osaka City U.), Masashi Kimura (Cambridge U., DAMTP).
Class.Quant.Grav. 32 (2015) no.21, 215008
国際会議発表1. Hideki Ishihara“Propagation of an optical vortex in a curved space-time”
Fourteenth Marcel Grossmann Meeting, University of Rome, Rome, July 12-18, 2015
2. Ken Matsuno“Slowly rotating dilatonic black holes with exponential form of nonlinear
electrodynamics”,
The 25th JGRG Workshop, 7-11 Dec. 2015, Yukawa Institute for theoretical physics,
Kyoto University, Kyoto
3. T.Ogawa“Cosmic string shielding of electric field of line charge”,
The 25th JGRG Workshop, 7-11 Dec. 2015, Yukawa Institute for theoretical physics,
Kyoto University, Kyoto
学会・研究会講演
1. 小川達也, 石原秀樹
“線電荷による電場を遮蔽する宇宙ひも”
日本物理学会2015年 秋季大会（大阪市立大 9/25-28, 2015年)
2. 石原秀樹, 木村匡志, 松野研" Kasner宇宙内の帯電ブラックストリング"
日本物理学会2015年 秋季大会（大阪市立大 9/25-28, 2015年)
3. 小川達也, 石原秀樹
"電荷を遮蔽する宇宙ひもの励起状態"
日本物理学会第71回年次大会,（東北学院大学 3/19-22 2016）
4. 小川達也“Electrostatic shielding by a scalar-field soliton”
第17回特異点研究会 （2016年1月9日-11日 慶應義塾大学日吉キャンパス）

69

その他
1. 石原秀樹
高津高校 「体験型進路学習 ポスターセッション」講評（１１月１０日)

研究助成金取得状況
1. 石原秀樹 科研費基盤研究 C（代表）「ブラックホールの観測的検証へ向けた光線および偏光の解析」
海外出張および海外研修
1. 石原 秀樹
The Fourteenth Marcel Grossmann Meeting on General Relativity, （University of Rome,
Rome, Italy, July 12-18, 2015）70

原子核理論研究室
櫻木弘之 教授
有馬正樹 准教授
勝間雅彦 研究員※(※数学研究所専任研究所員)

尾田達也(M2)
小林純(M1)
守本寛治(M1)
山岡有輝也(M1)

久世逸平(UG4)
金澤良樹(UG4)
西村裕樹(UG4)

研究概要
1.

12

C+12C弾性・非弾性散乱における斥力的三体力の効果（W.W.Qu, G.L. Zhang, I.Tanihata, 古本、櫻木、山本、谷畑、他）
共同研究をおこなっている実験グループ（Beihang大、阪大、理研、他）が阪大核物理研究センターで行った、E/A = 100 MeV での12C + 12C 弾性散乱および低励起状態への非弾性散乱実験を、複素G行列に基づく微視的チャネル結合計算により分析した。この際、三体核力を含まないケース(A)、現象論的三体核力を含むケース(B)、および、Multi-Pomeronexchange (MPP) 模型に基づく三体核力を含むケース(C)の３種類の相互作用模型を用いた理論計算と実験結果を比較したところ、弾性散乱と非弾性散乱を同時に矛盾なく再現する上では、(C)の相互作用模型が最も優れている
ことが明らかになった（論文[2]）。

2.
重イオン弾性散乱による高密度核媒質効
果の分析（古本、櫻木、山本）
複素G行列相互作用を用いた原子核間相互作用に関する、我々の研究グループによる一連の研究により、核媒質中での三核子間斥力が重要な役割を果たし、対称核物質の状態方
程式を決定する上で三体核力が重要な役割を果たしていることが明らかになったが、原子
核弾性散乱の実験によって、実際に核媒質のどのくらいの高密度領域まで探索が可能であ
るのか、その定量的な分析はこれまで不十分であった。今回、原子核同士の相互作用ポテ
ンシャルを計算する過程で、局所密度が飽和密度を超えた高密度になる場合について、局所密度がある一定の密度を超えないような操作を人為的に加えて、どのくらいの高密度まで観測量に見えているかを、MultiPomeron-exchange (MPP) 模型に基づく三体、四体核力を含む相互作用(MPa)について詳細に分析した。その結果、典型例である E/A =70 MeV での16O + 16O 弾性
散乱断面積の最後方角度での測定データは、飽和密度の約1.7倍 (Fermi運動量に換算して kF =1.6～1.7 fm-1)の高密度領域での媒質効果を見分ける精度があることが明らかになった。更に、高密度領域での媒質効果の主要部分は多体核力の効果であることも示された（論文1, 3、国際会議講演1,2,3）．

71

中性子ハロー核の弾性散乱におけるSudden近似および断熱Recoil近似の有効性の検討（尾田、櫻木）11
Be を入射核とした11Be + 12C 弾性散乱において、11Be が10Be とn に分解する反応過程を考慮して求めるために、11Be と標的核の散乱を10Be と中性子と標的核の三体系の反応として扱う。この３体系の反応を近似的に解く手法である二つの近似、①「断熱recoil 近似」および、②「Sudden近似」の二つの近似法を適用し、それぞれの利点と欠点を分析したうえで、これらの近似法のハロー核の反応分析への有効性を、具体的に11Be+12C 弾性散乱に適用した場合の定量的な比較・検討を行った（尾田：修士論文）。
3.

スキルム模型によるπ中間子・核子相互作用の研究（山岡、有馬）
バリオン構造の有効模型として知られているスキルム模型は、半古典的に取り扱うと核子などの静的な性質を30%ほどの精度で再現するが、適切な量子化をすることによりπ中間子・核子散乱にも応用できることが明らかになった。量子化の対象となるのは古典的なソリトン
解のゆらぎであり、それを古典解に付随するゼロモードとともに量子化することが重要である。本年度の考察では、1）π中間子場を導入（ソリトン解の存在を示すためだけでなく、そのゆらぎが従う微分方程式の性質を決めるうえでも重要）、2）π中間子・核子散乱のための簡約公式を導出（先のπ中間子場と、それが従うPCACと矛盾しない定式化をする）の二つに集中して取り組んだ。そして、スキルム模型の中で核子やその共鳴状態の構造を解析するための方法を具体化するために努力した。
4.

教育・研究業績
学術論文
1. T. Furumoto, Y. Sakuragi, Y. Yamamoto, “Approach to high-density nuclear matter via nucleusnucleus elastic scattering”, ACTA PHYSICA POLONICA B Vol.47, No.3 (2016) pp.853-858(Proceedings of the XXXIV Mazurian Lakes Conference on Physics, Piaski (2015) )2. W. W. Qu, G. L. Zhang, S. Terashima, T. Furumoto, Y. Ayyad, Z. Q. Chen, C. L. Guo, A. Inoue,
X. Y. Le, H. J. Ong, D. Y. Pang, H. Sakaguchi, Y. Sakuragi, B. H. Sun, A. Tamii, I. Tanihata, T.F.
Wang, R. Wada, and Y. Yamamoto “Effects of repulsive three-body force in 12C + 12C
scattering at 100A MeV”, Phys. Lett. B 751 (2015) 1-6.
3. Y.Sakuragi, “Saturation of nuclear matter and many-body forces - nuclear matter in neutron starprobed by nucleus-nucleus scattering - ”, Prog. Theor. Exp. Phys. 2016, 06A106 (25 pages) (invited
paper: Nambu, A Foreteller of Modern Physics I) DOI: 10.1093/ptep/ptw072

国際会議講演
1. T. Furumoto, “Approach to high-density nuclear matter via nucleus-nucleus elastic scattering”,(XXXIV Mazurian Lakes Conference on Physics, Piaski, Poland, September 6-13, 2015)
2. Y. Sakuragi “High-density nuclear matter probed by nucleus-nucleus scattering: - its implication
to neutron star mass problem -” (EMMI workshop on "Cold dense nuclear matter from short range
correlations to neutron stars", GSI, Germany, October 13-17, 2015)
3. T. Furumoto1, Y. Sakuragi and Y. Yamamoto, “Nuclear medium effect over normal density
understood from heavy-ion elastic scattering”, Abstract for The 14th International Symposium on
Nuclei in the Cosmos (NIC-XIV) (June 19-24, 2016, Niigata).
学会・研究会講演
1. 櫻木弘之、古本猛憲、山本安夫、「High-density nuclear matter probed by nucleus-nucleus scattering」
科学研究費補助金・新学術領域研究「実験と観測で解き明かす中性子星の核物質」
第 4 回研究会（湘南国際村センター（神奈川）, 2015.9.17－18）

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2.

3.

4.

金子祥太朗、櫻木弘之、古本猛憲、「高エネルギー6Li 散乱における 6Li 分解効果のエネルギー依存性」、
日本物理学会 2015 秋季大会 （大阪市立大学、2015.9.25－28）
勝間正彦、「16O のα＋12C 光分解反応の理論的予測」、
日本物理学会 2015 秋季大会 （大阪市立大学、2015.9.25－28）
櫻木弘之「核物質の飽和性と多体力：－原子核散乱で解き明かす中性子星の核物質－」『大阪市立大学特別栄誉教授・南部陽一郎先生 追悼シンポジウム』講演、（於大阪市立大学、2015.9.29）

研究助成金獲得状況
1.

櫻木弘之：日本学術振興会科学研究費補助金・基盤研究Ｃ（H27～H29）「複素G行列有効核力に基づく微視的核反応研究の新展開」（H27年度分 80万円）

海外出張および海外研修
1.

櫻木弘之：ドイツ国立重イオン科学研究所(GSI), 2015年10月12日～17日,
EMMI Workshop "Cold dense nuclear matter from short range correlations to neutron stars",
出席、研究発表

学位論文
修士論文
1. 尾田 達也：「Sudden近似および断熱近似による中性子ハロー核の弾性散乱の研究」

その他
1.
2.
3.

櫻木弘之：大阪府立三国丘高校SSH課題研究の助言・指導
櫻木弘之：特命副学長（2013.4.1～2016.3.31）
櫻木弘之：大阪大学非常勤講師（全学教育推進機構）

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