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[Z7aTX< ......................................................................... 56FONOTX< ......................................................................... 629:NOTX< ......................................................................... 6717HOaTX< ..................................................................... 71序	 現在，大阪市立大学は大阪府立大学との統合問題の真っただ中にあります．理学研究科・理学部は府大側と話し合いを重ね，統合後のあるべき姿について検討を進めてきました．
この話し合いは，双方の歴史や背景の違いから，簡単なものではありません．9 月には新大学構想会議の提言をもとに，大阪府・大阪市により「新大学ビジョン」が策定され，10 月には「新法人基本方針」，「新大学案」が矢継ぎ早に策定されました．ここには，統合でのスケールメリットなどが謳われていますが，これまで異なる文化をもって運営してきた組織が離れたキャンパスに分断されたままで，教育・研究面でうまく機能するか，大学の現場にある私たちは大きな不安を抱えています．	
 	
 この現状が見えたのか，11 月の市議会で，大学統合の関連議案が可決されなかったために，当初の予定どおりに統合を進めることが難しい状況になり，大学統合にかかるスケジ
ュールを延期することが通達されました．ここにきて，駆け足で進んできた統合への動き
は小休止の様相です．ここで歩を止めて，真に望まれる大学のあり方について，地に足を付けた検討が必要だと考えます．	
 	
 本年度は，理系学舎の改修の過程で，物理教室に関連する重大問題として理学部 RI 室の放射線管理区域からトリチウムの漏洩が明らかになりました．放射線量が微量であったため，人体への影響はないと判断されましたが，法令に従った原子力規制委員会への報告や，処理に対して多大な労力が払われました．貴重な時間を割いて，この件に対応していただ
いた山本和弘氏には，深く感謝いたします．	
 
	
 
	
 	
 私たち，基礎科学を担う者がなすべき教育と研究は，日々の弛みない活動によってなされます．この当たり前のことが尊重され，快適に行える環境を作らなくてはなりません．
整備されつつある理系新学舎や理学部前のけやき通りは，新しい大学の顔として，施設面
で私たちを元気づけてくれるようになりました．	
 	
 最後に，本年度年次報告の作成にご尽力いただきました丸信人氏と荻尾彰一氏に感謝いたします．	 	
 2014 年 9 月	 	 2013 年度（平成 25 年度）物理学教室主任	
 
石原秀樹	
 

1

2013年度

物理学教室

談話会

談話会委員：有馬、神田、鐘本

第1回

新入生歓迎物理談話会

日時

2013年

5月13日

15:00～

場所

学情センター１Ｆ文化交流室

講師１

丸 信人 氏（素粒子論研究室・准教授）

題目１「ヒッグス粒子の起源」

講師２

竹内 宏光 氏（素励起物理学研究室・講師）

題目２「ボース・アインシュタイン凝縮体における界面の対消滅過程と射影低次元空間における自発的対称性の破れ」

第２回

年末研究発表会

日時2013年12月25日

場所

学術情報センター10F会議室

修士論文発表会
日時

2014年 2月6日

場所

学情センター１Ｆ文化交流室

第３回

物理学教室談話会

日時2014年 3月18日

場所

第２講義室

講師

茅根裕司氏（KEK 素核研

15:00～

博士研究員）

題目 「宇宙マイクロ波背景放射偏光観測実験POLARBEARによる重力レンズ起源B-mode偏光の検出」

2超低温物理学研究室
畑
徹
石川修六
矢野英雄
小原 顕
國松貴之

教 授
教 授
准教授
講 師
ＰＤ

加藤千秋(D3)
木村 豊(D2)

織田慎平(M2)
松本拓也(M2)
近藤健二(M2)
森岡 悠(M1)
若狭洋平(M1)
大村裕樹(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、畑、
加藤、近藤、森岡）
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％の試料セルを作製し、圧力7bar、13bar、22bar、24barでの測定を行った。7bar、13bar
では帯磁率の増大は観測されなかったが、22bar、24barでは増大が観測された。パルス
NMRによるスピン拡散係数の測定より、界面近傍ではエアロジェル密度が濃くなっている
ことが分かった。この密度変化は帯磁率増大の圧力依存性を定性的に説明する。

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、畑、織田、若狭）
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。量子渦は超流動中で途切れることができず、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。この特異な性質のために、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、タングル化し量子乱流となる。また、渦間の再結合によって渦輪が生成され、渦輪は超流動中を飛行する。
我々は、振動物体が生成する渦輪の性質を実験的に調べることにより、量子渦のダイ
ナミクスを研究している。超流動ヘリウム４の渦芯半径は0.1 nm程度と細く検出は難し
いが、極微細超伝導線による振動ワイヤー法の開発により、放出される渦輪の検出に成功した。この手法により、振動物体が生成する渦輪のサイズが、渦輪直径が0.1 m以下と非常に小さい渦輪から、振動物体の振幅（～40 m）程度の直径まで、広く分布することを突き止めた。
これらの研究に加え、巨大量子渦を駆動するモーター開発に取り組んでいる。回転子
分離型のブラシレスモーターを製作し、７０Ｋまで回転させることに成功した。しかしこれ以下の温度では、モーターコイルに使用した磁芯材料の磁気ヒステリシスが影響し、回転が停止することがわかった。磁芯材料の選定が必要だと思われる。

3.

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、國松、木村）
超流動ヘリウム３―Ａ相は異方的で、クーパー対は固有のL=1の大きさの軌道角運動量を持つ。異方軸が揃った系での巨視的軌道角運動量の有無は未解決問題であり、その検3

出を目的として東京大学物性研究所にある超低温度回転クライオスタットを用いてNMR
法による共同利用研究を行ってきた。検出用の試料セルは、直径0.1mmの1本の細い円筒容器である。この容器内に出来たMermin-Hoテクスチャーを用いて、巨視的軌道角運動量の検出実験を行った。このテクスチャアーではスピン波励起が可能となるNMRポテンシャ
ルが形成される。このポテンシャルの形状は回転角速度に依存する。これはスピン波の共鳴周波数の微小な変化を引き起こすと予想される。実験結果は励起スピン波の共鳴周
波数が回転角速度に対して非対称に変化するものであった。その非対称性はまさに巨視的軌 道角運動 量が存在す ることを示すも のであった 。 今年度 前半では、容器 内のMermin-Hoテクスチャーをこれまでとは逆の回転でも作り、スピン波の共鳴周波数が回転に対して非対称な変化を示すことを確認した。
後半では別の実験「超流動ヘリウム３− A相での半整数量子渦の検出」のための準備を始めたが、半整数渦生成のために必要となる低温装置の改良等を行っておりまだ結果は得られていない。
4.

寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原、石川、松本）
振動レス、超小型の分離型ドライ希釈冷凍機開発を開始した。振動が一桁大きいがパルス
管冷凍機より冷凍能力の大きい値段的にも安いＧＭ冷凍機を用い、三重管サイフォンでヘリ
ウムガスを循環させることにより希釈冷凍機側を８Ｋまで冷却をすることができ、この温度をベースに希釈冷凍機を稼働させることができた。振動に関しては、直結型に比べ一桁小さ
くすることができ、振動レス実現への道筋が見えたと言える。一方、最低温度に関しては、直結型のベース温度が３Ｋであるのに対し、分離型では８Ｋと高いため、４７mKどまりであった。さらなる熱交換器の工夫が必要と思われる。

5. 熱音響冷凍機の開発（畑）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い。一昨年度では初
めて０℃を切ったが、蓄冷器の熱交換率を上げるため、耐圧の高い金属製のループ管冷凍機を制作し、作動気体の圧力、振動数すなわちループ管の長さ、薄膜の厚みをパラメータとして動作特性を調べた。その結果、最適圧力は0.12MPaであることがわかった。また、薄膜の厚みが９μmのゴム膜のとき、音波振幅が最も大きくなることが判明した。最大温度差は17.7℃が得られた。
6. 光ハイドロフォンの低温応用（小原、大村）
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、限られた用途と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直接液体ヘリウム中に差し込み、レーザを直接照射する。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遊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という利点がある。また、周波数依存性は回路定数にのみ依存するため、調整可能であるという特徴がある。反射強度から屈折率、屈折率
から密度、密度は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・固体に応用できる、非常に応用性の高い技術である。本年度は基礎的技術を習得し、液体ヘリウムの静的密度測定に成功した。この技術を応用すれば、液4

体中の局所動的圧力や速度計測が可能となり、低温流体力学計測一般に新たな知見を提供することになるだろう。
7. 狭い平行平板間の超流動 3He 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液体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、50μmの平板中ではAB転移とは関係のない温度において、テクスチャーの変形に起因するフレデリクシュ転移を観測した。AC流におけるフレ
デリクシュ転移の観測は世界的にも初めてである。

教育・研究業績
学術論文
1. Development of a Fiber-Optic Probe Hydrophone for a Cryogenic Liquid,
K. Obara, H. Ohmura, C. Kato, H. Yano, O. Ishikawa, T. Hata,
Journal of Low Temperature Physics, 175, 464-470 (2014)
2. Development and Comparison of Two Types of Cryogen-Free Dilution Refrigerator,
T. Hata, T. Matsumoto, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, A. Handa, S. Togitani, T. Nishitani,
Journal of Low Temperature Physics, 175, 471-479 (2014)
3. Observations of Vortex Emissions from Superfluid 4He Turbulence at High Temperatures,
S. Oda, Y. Wakasa, H. Kubo, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, T. Hata,
Journal of Low Temperature Physics, 175, 317-323 (2014)
4. Enhancement of Magnetization in Liquid He-3 at Aerogel Interface
A. Fukui, K. Kondo, C. Kato, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, T. Hata,
Journal of Low Temperature Physics, 175, 245-250 (2013)
5. Time-of-flight measurements of vortices emitted from quantum turbulence in superfluid 4He,
H. Kubo, Y. Nago, A. Nishijima, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa and T. Hata,
Journal of Low Temperature Physics, 171, 466-472 (2013)
6. Propagation of quantized vortices driven by an oscillating sphere in superfluid 4He
A. Nakatsuji, M. Tsubota, and H. Yano,
Journal of Low Temperature Physics, 171, 519-525 (2013)
解説
1. 物体の運動で発現する量子乱流（「最近の研究から」）
矢野英雄, 坪田誠
日本物理学会誌, 68(11), 734–738 (2013)
国際会議講演QFS2013, August 1-6, 2013, KUNIBIKI MESSE, Matsue, Japan
1. H. Yano (invited): Vortex Emission from Quantum Turbulence Generated in Superfluid 4He
2. T. Hata (invited): Development and comparison of two different types of dry dilution
refrigerator
3. O. Ishikawa (invited): New Boundary Phenomena of Liquid 3He in Aerogel Contacting with
Superfluid 3He-B
4. Y. Morioka : Observation of 3He-B Texture Transition in Aerogel
5. K. Kondo: Investigation of the Odd-Frequency Pairing in Liquid 3He at Aerogel Interface
6. Y. Kimura : Detection of Half Quantum Vortex between Parallel Plates in Superfluid 3He-A
7. T. Kunimatsu: NMR on Texture of Rotating Superfluid 3He-A phase in a narrow cylinder

5

S. Oda: Observations of vortex emissions from superfluid 4He turbulence at hightemperatures
9. K. Obara : Development of Fiber-Optic Probe Hydrophone for Cryogenic LiquidInternational Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed
Matter with Broken Symmetries, Oct. 22-26, 2013 Culture Resort Festone, Ginowan, Japan
1. Y. Kimura : Half-Quantum Vortices between Parallel Plates in Superfluid 3He-A Phase
2. T. Kunimatsu : Textures of chiral superfluid 3He-A phase and detection of Intrinsic AngularMomentum
3. Y. Morioka : Texture Transition of Superfluid 3He-B phase in Aerogel
CIFAR Quantum Materials Summer School 2013 and Work shop
1. K. Kondo: Investigation of the Odd-Frequency Pairing at Boundary of Superfluid 3He
B-phase
学会・研究会講演
1. 近藤健二：「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観測」
日本物理学会 2013年秋季大会（徳島大）2. 松本拓也：「2タイプの無冷媒希釈冷凍機の開発」
日本物理学会 2013年秋季大会（徳島大）3. 森岡悠：「バルク超流動3Heに接するエアロジェル界面近傍の常流動3He」
日本物理学会 第69回年次大会（東海大）
4. 若狭洋平：「渦環放出から見る超流動4He中振動ワイヤーによる量子乱流の生成機構」
日本物理学会 第69回年次大会（東海大）
5. 小原 顕：「液体ヘリウム用・光学ハイドロフォンの開発(II)」日本物理学会 第69回年次大会（東海大）
6. 石川修六：「超流動3He-Bに接するエアロジェル界面での近接効果」
第15回集中連携研究会「トポロジカル超流体の新奇界面現象」（2013.6.29 大阪市立大学）
7. 國松貴之：「超流動3He-A相の固有軌道角運動量検出実験
第15回集中連携研究会「トポロジカル超流体の新奇界面現象」（2013.6.29 大阪市立大学）
8. 石川修六：「超流動3He-Bに接するエアロジェル中の奇周波数クーパー対」「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第4回領域研究会（2013.12.19
名古屋大学）
9. 森岡悠：「Texture Transition of Superfluid 3He B-like phase in Aerogel」
第4回領域研究会（2013.12.19 名古屋大学）
10. 近藤健二：「Internal Distance between Aerogel strands and Odd-Frequency Cooper Pairing in
Liquid 3He」
第4回領域研究会（2013.12.19 名古屋大学）
11. 木村豊：「Investigation of Half Quantum Vortices under a Tilted Magnetic Field」
第4回領域研究会（2013.12.19 名古屋大学）
12. 松本拓也：「無振動・無冷媒希釈冷凍機の開発」
低温工学・超電導学会関西支部 第12回低温工学・超伝導若手合同講演会（2013.12.13 大
阪市立大学）
13. 畑 徹：「大阪市立大学における低温技術開発」
低温工学・超電導学会関西支部 2013年度第３回関西支部講演会（2014.2.3 大阪市立大学）
8.

学位論文
修士論文
1. 織田慎平：「振動ワイヤーによる超流動4He乱流生成と渦環放出の異方性」
2. 松本拓也：「低振動無冷媒希釈冷凍機の開発」

6

3.

近藤健二：「バルク超流動３Heに接するエアロジェル中液体３He」

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.

石川修六：新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」
計画研究「スピン三重項超流動体の新奇界面現象」 ２０１３年度分 １，０００万円
小原 顕：日本学術振興会・科学研究費若手研究（B）「光ハイドロフォンを用いた量子液体中の音響タブレンスの実験」
２０１３年度分
８０万円
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４量子渦の慣性質量と波動の研究」 ２０１３年度分３３８万円
矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費挑戦的萌芽研究「超流動ヘリウム回転流をつくる超伝導モーターの開発」２０１３年度分１３０万円

海外出張および海外研修
1. 近藤健二：CIFAR Quantum Materials Summer School 2013 and Work shop, May 5 – 11 2013,
Vancouver, Canada

その他
高大連携
1. 小原：大阪市立大手前高校サイエンス探究中間発表会 (2/15)
2. 小原：大阪市立大手前高校サイエンス探究発表会 (7/13)
3. 小原・畑：愛媛県立松山南高等学校スーパーサイエンスハイスクール訪問研修 (7/23)
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 (9/12,13)7

光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

堂本 真也 (M2)中谷 仁美 (M1)木村 圭吾 (M2)高橋 崇寛 (M1)中嶋 敬幸 (B4)石川 沙樹 (M1)
岡田 優
(B4)

研究概要
1. 有機半導体デバイスの動作過程におけるスピンペアの役割の解明(木村、鐘本)
近年、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研究開発がさかんに行われているが、その物性発現において、電子正孔対に相当するpolaronペアという中間状態の寄与が注目を集めている。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）時の応答に着目した。その結果、動作電圧の増加によりELが発生する前に、polaronペアが増加から減少に転じることを見出した。これは、ELの動作において、電界に依存する発生過程が存在することを示す。
2. 分光信号の時間応答から見る色素増感太陽電池の動作機構(堂本、鐘本)
色素増感太陽電池（DSC）は、低コストでの生産が可能な次世代太陽電池として注目されてきたが、動作機構が複雑であるが故に、素子性能の向上が停滞している現状にある。
本研究では、DSC素子に対し、電圧印加と組み合わせた連続光照射下の光誘起吸収（PIA）
分光法を適用した。その結果として、まず、さまざまなモデル系試料を作成し、PIA測定を行うことで、複雑なスペクトルの起源を同定することに成功した。その結果を利用し、定常電圧を印加した状態でのキャリア信号の減衰時定数を解析した結果、電圧印加 により光キャリアの失活速度が遅くなることを明らかにした。その結果から、DSC素子の動作においては、電圧によるキャリア注入により光キャリアの電極方向への拡散が減少し、光電流のロスが発生すると結論付けた。
3. ポリマー薄膜ダイオードにおける電荷注入過程の分光観測（石川、鐘本）
有機薄膜ダイオードの電流電圧特性においては、電流は、低電圧領域でオーミック特性を示し、電荷注入の発生と同時に、非線形な領域へと移行する。その注入由来の電流は、
通常、電流電圧特性の立ち上がり部分を解析することで評価されるが、解析方法に依存して複数のモデルが存在し、区別する決定的要素もない現状にある。本研究では、電荷注入過程に関する情報を直接引き出すことを目的として、キャリアの分光観測を可能にするデバイス変調（DM）分光法の開発を行い、実際にポリマーダイオードへと適用した。その結果、DM信号は、低電圧領域では線形に上昇し、電流の非線形な上昇に対応して増加を示すことが確認された。このことから、DM法は、注入キャリアの信号を直接観測するのみならず、充電電流成分のキャリアの情報を含んでいることが明らかとなった。
4. ポリマーEL素子におけるSinglet-Triplet生成ダイナミクスの分光観測(高橋、鐘本)
ポリマーEL素子の発光効率は、定常状態における励起子生成比により左右される。一般に、その励起子生成比は、単純なスピン統計により、Singletが25%、Tripletが75%と仮定されるが、近年そのスピン統計が成立しないことを示唆する結果が報告され、その原因究明を含め、生成過程の理解が求められている。本研究では、EL素子動作と分光を融合させたデバイス変調(DM)分光法をポリマーEL素子に適用し、素子動作時に生成される励起子の直接的な分光観測および生成過程の解明を試みた。結果として、まず、EL測定とDM測定の時間変化を観測する測定系の構築を行った。それにより、SingletとTripletの8生成および失活過程の直接観測が可能となった。さらにその電圧依存性を測定すること
により、定常状態における励起子生成比が、電圧に依存して変化することを明らかにした。この結果は、SingletとTripletの生成速度比が、電圧に依存して変化することに由来す
ると結論付けた。
5. 有機太陽電池薄膜における分光を利用した光キャリア密度の見積もり法の開発（中谷、鐘本)
有機薄膜太陽電池において、光照射により生成する光キャリアの密度は、太陽電池の性能を決定する最も重要な因子の一つである。これまで光キャリア密度の決定は、パルス光照射により発生する光電流の時間積分を通して見積もられた例があるが、太陽電池
動作と関連付けて、連続光照射下で行われた例は無い。本研究では、連続光照射下の光誘起吸収測定 (PIA)を通して、π共役ポリマーの光キャリア密度を計測する方法の開発を行った。方法としては、PIA測定で発生するbleaching信号と、化学酸化で発生させたキャリアの信号強度を比較・換算するものである。実際、ポリマーベースの有機薄膜素子に適用し、キャリア密度の算出を行った。さらにその結果を、太陽電池として使われる
バルクヘテロ薄膜に応用し、太陽光照射下でのキャリア密度の見積もりを行った。その結果は、過去に同薄膜にて報告されたキャリア密度とよい一致を示し、方法の有効性も確認された。

教育・研究業績
学術論文
1. Katsuichi Kanemoto, Shinya Domoto, “Spectroscopic investigations on Stark components
observed in photoinduced absorption measurements for dye-sensitized solar cells”
Thin Solid Films 554, pp.226–229 (2014).
国際会議講演1. K. Kanemoto, “A Displacement Current Induced by ESR for Organic Semiconductor Diodes”, 1st
Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology (AWEST), Awaji
International Conference Center, Awaji Island, Japan. Jun 16-18, 2013. (Invited)
2. K. Kanemoto, and K. Kimura, “Spin Pair States in Polymer Light Emitting Diodes”, The 7thJapanese-Russian International Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin
Devices, Awaji International Conference Center, Awaji Island, Japan. November 17-20, 2013.
(Invited).
学会・研究会講演
1. 堂本真也，鐘本勝一「光誘起吸収信号の時間応答からみた色素増感太陽電池の動作過程」
第74回応用物理学会秋季学術講演会、同志社大学京田辺キャンパス（2013.9.16-20）
2. 木村圭吾、鐘本勝一「電流検出ESRの印加電圧依存性からみたポリマーEL動作におけるス
ピンペアの役割」、電子スピンサイエンス学会年会2013、さいたま市大宮ソニック市民ホール（2013.10.24-26）
3. 木村圭吾、鐘本勝一「電流検出及びEL検出ESRからみたポリマーELの動作過程」第24回光物性研究会、大阪市立大学、（2013.12.13-14）
4. 高橋崇寛、鐘本勝一「動作中のポリマーELデバイスにおける一重項・三重項励起子生成比の電圧依存性」第24回光物性研究会、大阪市立大学、（2013.12.13-14）
5. 鐘本勝一「有機半導体素子に対する電流検出ESR」、分子研研究会：先端スピン計測技術
による分子性物質研究の現状と展望、分子科学研究所、（2013.12.18-19）
6. 石川沙樹，鐘本勝一「ポリマー薄膜ダイオードにおける電荷注入過程の分光観測」、第61回応用物理学会春季学術講演会、青山学院大学相模原キャンパス（2014.3.17-20）

97. 高橋 崇寛，鐘本 勝一「ポリマーEL素子におけるSinglet-Triplet生成ダイナミクスの分
光観測」第61回応用物理学会春季学術講演会、青山学院大学相模原キャンパス（2014.3.
17-20）
8. 中谷仁美，鐘本勝一「バルクヘテロ型有機薄膜における光誘起吸収測定による光キャリア密度の見積もり」第61回応用物理学会春季学術講演会、青山学院大学相模原キャンパス（2014.3.17-20）

学位論文
修士論文
1. 木村圭吾：「電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにおけるスピンペアの研究」
2. 堂本真也： 「連続光照射下の色素増感太陽電池における分光技術を用いた動作機構の研究」

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」910万円
2. 鐘本勝一（代表）科学研究費補助金、挑戦的萌芽研究 「線形アップコンバージョン発光を利用したエネルギー生成の実現と太陽電池への展開」210万円
3. 鐘本勝一（代表）平成24年度戦略的萌芽研究（大阪市立大学）「素子動作との融合計測による分子レベル評価技術を利用した実用有機系太陽電池の実現」100万円

その他
1. 木村圭吾：第24回光物性研究会奨励賞受賞

10生体・構造物性研究室
橋本 秀樹
南後 守
杉﨑 満
小澄 大輔

堀部 智子
浦上 千藍紗
米田 一史
重松 佑典
田宮 優大
繁昌 航平
三野 耕平
北
翔兵
城田 真裕
福田
悠
西口 智也
船越 良平
山野 奈美

教授
特任教授
准教授
特任准教授

(D4)
(D2)
(M2)
(M2)
(M2)
(M2)
(M2)
(M1)
(M1)
(M1)
(B4)
(B4)
(B4)

研究概要
1. Znクロロフィル誘導体の金基板上への配列と電流特性（橋本，南後）紅色光合成細菌のLH1光捕集アンテナ複合体を構成するLH1-αポリペプチドとLH1-βポリペプチドバクテリオクロロフィルをはじめとする，様々なポルフィリン同属体に結合をするという興味深い性質を持っている．この特性を利用して，ポルフィリン類似体であるZnクロリンおよびZn-クロリン二量体を用いて，C-末端にHig-tagを持ったLH1-α変異体へ結合する様子について調べた．作製した複合体は，Ni-ニトリロ三酢酸を修飾した金基板上に固定することができた．可視光照射時の光電流の観測にも成功した．Zn-クロリンと基板との距離が離れているにもかかわらず光電流が流れたことから，ポリペプチド骨格が電子伝達に寄与していることが予想される（論文[1]）．
2. カロテノイドの光吸収と振動構造の相関（橋本）
蛋白中のカロテノイドの電子状態を予測することは，依然として難しい問題とされている．共役二重結合の末端にリング構造を持たない9種類の直鎖状カロテノイドを用いて，光吸収とラマン散
乱測定を行った結果，S0→S2光吸収の遷移エネル
ギーとC=C伸縮振動のエネルギーは，共役二重結
合数Nの逆数に比例していることが分かった． βカロテンのように末端にリング構造を持つカロテ
ノイドにおいても同様な関係が見られたが，実効的な共役二重結合数は，実際のそれよりも小さくなることが分かった．更に，溶媒の極性を変えた場合においても，光吸収の遷移
エネルギーと伸縮振動のエネルギーの間に線形な関係が保たれていることも分かった（論文[2]）．
3. カロテノイドのコヒーレント分子振動の発生（堀部，南後，橋本）当該研究室のこれまでの研究において，スピリロキサンチン，アンヒドロビブリン，ロ11

ド ピ ン ， 及 び ス フ ェ ロ イ デ ン を Rsp.
rubrumから単離精製したLH1サブユニッ
トへの再構築に成功している．しかしロドピンを用いた場合にバクテリオクロロ
フィルaのQx帯の吸収スペクトルと，カロテノイドからバクテリオクロロフィルへのエネルギー伝達の効率が，他のカロテノイドを用いた場合とは異なる振る舞いをするという現象がみられていた．この原因として，ロドピンだけが末端にOH基を持つことによると考えられるため，今回，他のカロテノイドと 同 様 に メ ト キ シ 基 を 持 ち ， か つ ロ ド ピ ン と 同 じ 共 役 差 長 を 持 つ all-trans-3,4dihydroanhydrorhodovibrinを用いてLH1サブユニットへの再構築を行った．その結果，吸収ス
ペクトルとエネルギー伝達の効率が，一連の結果とよい整合性を持つことを示すことができた（論文[4]）．
4. バクテリオクロロフィルの中心金属が光学特性に与える影響（小澄，杉﨑，南後，橋本）
通常のバクテリオクロロフィルは，中心金属としてMgを持っている．有機合成により，中心金属をZnを持つクロロフィルを新たに作製し，それらの光学特性を比較した．定常吸
収スペクトルと蛍光スペクトルの観測から，中心金属を変えた時の変化はQx帯に顕著に表れ，一方Qy帯にはほとんど影響しないことが分かった．中心金属を変えた時の影響は時間
分解吸収スペクトルにおいても観測され，Mg-バクテリオクロロフィルとZn-バクテリオク
ロロフィルのQx帯からQy帯への内部転換の時間が，それぞれ50fsと70fsと見積もることができた（論文[5]）．
5. 褐藻類の光合成初期過程における励起エネルギー伝達（小澄，杉﨑，橋本）
海洋中における褐藻類の光合成においてフコキサンチンが重要な役割を果たすことが知られている．注目すべき点
は，フコキサンチンはポリエン骨格の端にカルボニル基を持つために，極性環境中では，励起状態が電荷移動（ICT）型となることである．今回，ポリエン鎖長の異なるフコキサンチン同属体を有機合成により作成し，その電子状態を調べた．長いポリエン鎖を持つ同属体においては，その励起状態にICT型の性質が現れなかった．一方，短いポリエン鎖を持つ同属体においては，非極性環境中においてもICT状態が観測された．S1とICT状態の間カップリング強度は，カロテノイドの共役二重結合数nの関数として表されることを示した（論文[7]）．

教育・研究業績
学術論文
1. S. Sakai, T. Noji, M. Kondo, T. Mizuno, T. Dewa, T. Ochiai, H. Yamakawa, S. Itoh, H. Hashimoto,and M. Nango, “Molecular assembly of zinc chlorophyll derivatives by using recombinant
light-harvesting polypeptides with His-tag and immobilization on a gold electrode”, Langmuir, 29,
5104-5109 (2013).
2. M.M. Mendes-Pinto, E. Sansiaume, H. Hashimoto, A.A. Pascal, A. Gall, B. Robert, “Electronic
absorption and ground state structure of carotenoid molecules”, J. Phys. Chem. B, 117, 11015-11021(2013).
3. S. Suzuki, Y. Matsumoto, M. Tsubamoto, R. Sugimura, M. Kozaki, K. Kimoto, M. Iwamura, K.

12

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Nozaki, N. Senju, C. Uragami, H. Hashimoto, Y. Muramatsu, A. Konno, and K. Okada,“Photoinduced electron transfer of platinum(II) bipyridyl diacetylides linked by triphenylamine- andnaphthaleneimide-derivatives and their application to photoelectric conversion systems”, Phys. Chem.
Chem. Phys., 15, 8088 – 8094 (2013).
M. Yamamoto, T. Horibe, Y. Nishisaka, S. Suzuki, M. Kozaki, R. Fujii, M. Doe, M. Nango, K. Okada,and H. Hashimoto, “Reassociation of all-trans-3,4-dihydroanhydrorhodovibrin with LH1 subunits
isolated from Rhodospirillum rubrum: selective binding of all-trans isomer from mixture of cis- andtrans-isomers”, Bull. Chem. Soc. Jpn., 86, 121-128 (2013).
D. Kosumi, K. Nakagawa, S. Sakai, Y. Nagaoka, S. Maruta, M. Sugisaki, T. Dewa, M. Nango, and H.
Hashimoto, “Ultrafast intramolecular relaxation dynamics of Mg- and Zn Bacteriochlorophyll a”, J.
Chem. Phys., 139, 034311/1-8 (2013).
S. Okumura, T. Kajikawa, K. Yano, K. Sakaguchi, D. Kosumi, H. Hashimoto, and S. Katsumura,“Straightforward synthesis of fucoxanthin short-chain derivatives via modified-Julia olefination”,
Tetrahedron Lett., 55, 407-410 (2014).
D. Kosumi, T. Kajikawa, S. Okumura, M. Sugisaki, K. Sakaguchi, S. Katsumura and H. Hashimoto,“Elucidation and control of an intramolecular charge transfer property of fucoxanthin by amodification of its polyene chain length”, J. Phys. Chem. Lett., 5, 792-797 (2014).
D. Kosumi, R. Fujii, M. Sugisaki, N. Oka, M. Iha, and H. Hashimoto, “Characterization of theintramolecular transfer state of marine carotenoid fucoxanthin by femtosecond pump-probe
spectroscopy”, Photosynth. Res., 121, 61-68 (2014).
D. Kosumi, T. Kajikawa, K. Yano, S. Okumura, M. Sugisaki, K. Sakaguchi, S. Katsumura, and H.
Hashimoto, “Roles of allene group in an intramolecular charge transfer character of a shortfucoxanthin homologue as revealed by femtosecond pump-probe spectroscopy”, Chem. Phys. Lett.,
602, 75–79 (2014).

国際会議講演
1. D. Kosumi, M. Kita, R. Fujii, M. Sugisaki, N. Oka, Y. Takaesu, T. Taira, M. Iha, and H. Hashimoto,“Ultrafast fucoxanthin → chlorophyll a energy transfer in brown algal light-harvesting antennas”,
Light-Harvesting Processes (LHP 2013), Banz Monastery, Germany, April 7-11, 2013.
2. C. Uragami, Y. Sugai, K. Hanjo, R. Fujii, M. Nango, and H. Hashimoto, “Fluorescence microscopy
study of the artifitial photosynthetic membranes constructed with LH2 and LH1-RC complexes fromdifferent species of purple photosynthesis bacteria”, Light-Harvesting Processes (LHP 2013), Banz
Monastery, Germany, April 7-11, 2013.
3. M. Yoshizawa, O. Yoshimatsu, K. Abe, S. Sakai, T. Horibe, R. Fujii, M. Nango, and H. Hashimoto,“Difference of the carotenoid S* state between light harvesting complex and solution revealed byfemtosecond stimulated Raman spectroscopy”, The XVIth International Conference on
Time-Resolved Vibrational Spectroscopy (TRVS 2013), Beppu, Oita, Japan, May 19-24, 2013.
4. D. Kosumi, R. Fujii, M. Iha, and H. Hashimoto, “Ultrafast excited state dynamics of marine
carotenoid fucoxanthin”, 2nd Natural Pigments Conference for South-East Asia (NP-SEA), Malang,Indonesia, July 12-13, 2013 (Invited).
5. Y. Teki, A. Shimizu, N. Kishida, A. Ito, Y. Kawakami, D. Kosumi, and H. Hashimoto,“Photoprotection of Pentacene Derivatives Utilizing Excited-State Spin Dynamics”, The 7thJapanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices, Awaji
Yumebutai International Conference Center, Awaji Island, Hyogo, Japan, June 16-18, 2013 (Invited).
6. C. Uragami, Y. Sugai, K. Hanjo, R. Fujii, M. Nango, and H. Hashimoto, “Making the mapping imagesof the artificial photosynthetic membranes constructed with LH2 and LH1-RC complexes fromdifferent species of purple photosynthesis bacteria”, International Conference on Bio/Mimetic Solar
Energy Conversion (iSEC 2013), Osaka City University Media Center, Japan, November 22-24, 2013.
7. H. Hashimoto, “Artificial Photosynthesis Producing Solar Fuels”, 4th Multidisciplinary Science
Forum (MSF), JSPS US Fellows Alumni Association, Washington D.C., USA, February 21, 2014
(Invited)
8. H. Hashimoto, “Ultrafast fucoxanthin → chlorophyll a energy transfer in brown algal light-harvesting
antennas”, 247th ACS National Meeting, Dallas, Texas, USA, March 16-20, 2014 (Invited).
学会・研究会講演
1. 藤井律子，千住直輝，溝口正，伊波匡彦，市村彰男，橋本秀樹，「褐藻類の光合成アンテナ色
素クロロフィル c の pH-光センサー機能」，第 3 回ポルフィリン-ALA 学会，東京工業大学，2013 年 4

13

2.

3.

4.
5.

6.

7.

8.
9.

10.

11.

12.
13.

14.

15.
16.
17.

18.

19.

20.

月 27 日．
橋本秀樹, 「光合成アンテナ系色素タンパク質複合体の光捕集機能の解明」，2013 年光化学討論会，愛媛大学，2013 年 9 月 11 日～13 日 （シンポジウム講演）．
清水章皓，岸田憲明，伊藤亮孝，川中優輔，小澄大輔，橋本秀樹，手木芳男，「有機ラジ
カルを用いたペンタセン誘導体の光に対する安定化とその機構」，
第 7 回分子科学討論会，
京都テルサ，京都，2013 年 9 月 24 日～27 日．
橋本秀樹，「光合成系の光物性物理」，日本物理学会 2013 年秋季大会, 徳島大学, 2013 年 9月 25 日～28 日（領域５シンポジウム講演）．
矢野亘記，梶川敬之，奥村智，小澄大輔，橋本秀樹，Frank A. Harry，坂口和彦，品田哲郎，勝村成雄，「ペリジニンおよびフコキサンチン類縁体の合成と光合成を担うエネルギー準位の性質」，第57 回香料・テルペンおよび精油科学に関する討論会，埼玉大学，2013 年 10 月 5 日～7 日．
清水章皓，岸田憲明，伊藤亮孝，川中優輔，小澄大輔，橋本秀樹，手木芳男，「ペンタセンー安定
ラジカル誘導体の光防御機構と励起状態スピンダイナミクス」，第 52 回電子スピンサイエンス学会年会, 大宮ソニックシティー，さいたま，2013 年 10 月 24 日～26 日．
堀部智子，小澄大輔，藤井律子，Pu Qian，C. Neil Hunter，橋本秀樹，「周辺アンテナ色素蛋白複合体に結合するカロテノイドに対する Stark 分光及び半量子論的解析および構造に関する考察」，
第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年 10 月 19 日～20 日．
北翔兵，藤井律子，橋本秀樹，「光合成アンテナの機能を模したカロテノイド配向モデル系の創成」，
第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年 10 月 19 日～20 日．
山野奈美，藤井律子，伊福健太郎，三沢典彦，橋本秀樹，「アスタキサンチン生産レタスにおける光合成機能とアンテナタンパク質の色素組成」，第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年
10 月 19 日～20 日．
祖父江和樹，阿部健太，酒井俊亮，南後守，橋本秀樹，吉澤雅幸，「励起状態の再励起による再会
合光合成色素蛋白複合体の研究」，第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年 10 月 19
日～20 日．
浦上千藍紗，Dennis Galzerano，Andrew Gall，重松佑典，Maïwen Meisterhans，岡 直宏，伊波匡彦，藤井律子，Bruno Robert，橋本秀樹，「二種類の光条件下で培養した深所型緑藻モツレミル糸状体のラマン分光測定」，第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年 10 月 19 日～20 日．
小澄大輔，梶川敬之，矢野亘記，杉﨑満，勝村成雄，橋本秀樹，「有機合成によるフコキサンチンの機能制御」，第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年 10 月 19 日～20 日．
小澄大輔，梶川敬之，奥村智，杉﨑満，勝村成雄，橋本秀樹，「海洋カロテノイドにおける分子内電
荷移動状態発現の共役鎖長依存性」，第 27 回カロテノイド研究談話会，三重大学，2013 年 10 月
19 日～20 日．
北翔兵，藤井律子，橋本秀樹，「光合成アンテナの機能を模したカロテノイド配向モデル系の創成」，
新学術領域研究「人工光合成による太陽光エネルギーの物質変換：実用化に向けての異分野融合」
第 2 回公開シンポジウム，立命館大学朱雀キャンパス，2013 年 10 月 26 日～27 日．
小田祥也，橋本秀樹，木下勇，西岡孝訓，「長鎖アルキル基を持つ糖修飾二座キレート N-へテロ環
カルベン錯体の合成」，錯体化学会第 63 回討論会, 琉球大学, 2013 年 11 月 2 日～4 日．
吉野誠人，橋本秀樹，木下勇，西岡孝訓，「光感応基をもつ糖修飾キレート型 N-ヘテロ環カルベン
金属錯体の合成と性質」，錯体化学会第 63 回討論会, 琉球大学, 2013 年 11 月 2 日～4 日．
今仲庸介，橋本秀樹，木下勇，西岡孝訓，「糖ユニットを導入した C-C-N ピンサー錯体の水中における鈴木-宮浦カップリング反応に対する触媒活性」，錯体化学会第 63 回討論会, 琉球大学, 2013年 11 月 2 日～4 日．
前田友梨，橋本秀樹，木下勇，西岡孝訓，「混合金属三核錯体中の二座キレート型 N-ヘテロ環カル
ベン金属ユニットが酸化還元電位に与える影響」，錯体化学会第 63 回討論会, 琉球大学, 2013 年
11 月 2 日～4 日．
D. Kosumi, T. Kajikawa, S. Okumura, K. Yano, M. Sugisaki, S. Katsumura, and H. Hashimoto,“Elucidation and control of functions of the marine photosynthetic pigment”，平成 25 年度日本分光学会年次講演会, 大阪大学, 2013 年 11 月 19 日～21 日．
橋本秀樹，「光合成初期反応のナノ空間光機能制御」，さきがけ「光エネルギーと物質変換」第 8 回
領域会議，淡路夢舞台国際会議場，兵庫県，2013 年 12 月 15 日～17 日 （特別講演）．

1421. 杉﨑満，小澄大輔，橋本秀樹，「超解像度顕微鏡の構築とその評価」，日本物理学会第 69 回年次大会，東海大学 湘南キャンパス，2014 年 3 月 27 日～30 日．

著書
1. O. Yoshimatsu, K. Abe, S. Sakai, T. Horibe, R. Fujii, M. Nango, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa,“Dark excited states of carotenoid in light harvesting complex probing with femtosecond stimulated
Raman spectroscopy”, Ultrafast Phenomena XVIII, (EDP Sciences, 2013) p.08007.
2. 橋本秀樹, 「紅色光合成細菌・海洋藻類の光合成初期過程」，三宅 淳，佐々木 健 監修，光合成のエネルギー利用と環境応用，第１編 機能・構造，第１章，CMC 出版 (2014) pp. 1-12．
3. 橋本秀樹，「太陽光燃料（Solar Fuel）を生成する人工光合成」，三宅 淳，佐々木 健 監修, “光合成のエネルギー利用と環境応用，第４編 ゲノムと人工光合成，第 20 章，CMC 出版 (2014)
pp. 285-294．
解説
1. 橋本秀樹,「紅色光合成細菌・海洋藻類の光合成初期過程」，BIO INDUSTRY 30 (2013) pp. 5-14.
特許
1. 溝口律子，橋本秀樹，「pH 指示薬」，特願 2013-282188，2013 年 9 月 3 日．
2. 橋本秀樹，溝口律子，伊波匡彦，岡 直宏，平良寛進，「シフォナキサンチンおよび／または
シフォネインの製造方法」，特開 2013-051892，2013 年 3 月 21 日．

学位論文
博士論文
1. 堀部智子：“Molecular asymmetry of carotenoids bound to light-harvesting pigment-protein
complexes”．
修士論文
1. 米田一史：「二酸化炭素還元によるメタノール生成を実現する人工光合成：新規触媒探索のための反応機構解析」．
2. 繁昌航平：「色素タンパク質複合体と脂質の質量比を変えた人工光合成膜の原子間力顕微鏡観察」．
3. 田宮優大：「電場変調吸収分光によるRu 錯体のMLCT 遷移の評価」．
4. 重松佑典：「深所型緑藻の光照射強度変化に応じた光合成アンテナの組成変化」．
5. 三野耕平：「 β-イオニリンデン-インダン-1,3-ジオン(C15Ind)の励起状態ダイナミクス」．

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.
5.

橋本秀樹：新学術領域研究「人工光合成による太陽光エネルギーの物質変換：実用化に向けての異分野融合」総括班・計画班，995万円．
橋本秀樹：共同研究（5件）765万円．
橋本秀樹：受託研究「新しいエネルギーの調査研究」540万円．
杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「可視二次元分光技術の確立と光合成励起エネルギーフ
ローの人為操作」75万円．
小澄大輔：学術振興会・若手研究(A)「極超短光パルスを用いた光合成アンテナにおける色素分子間相互作用の実時間計測」870万円．

15

海外出張および海外研修
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

橋本秀樹：韓国，2013年5月29日～5月31日，Kyung Hee Universityにて講演を行うため．
橋本秀樹：フランス，2013年6月5日～6月9日，シフォナキサンチン-クロロフィル-タンパク質(SCP) の共鳴ラマン分光測定と研究の打合せのため．
橋本秀樹：インドネシア，2013年7月10日～7月16日，Natural Pigments Conferenceにて招待
講演発表を行うため．
橋本秀樹：米国，2013年8月7日～8月13日，Satellite Meeting on Light Harvesting Systems に参加・発表を行うため．
橋本秀樹：イギリス，2013年12月4日～12月12日，Glasgow大学との共同研究の計画・立案のための打ち合わせ（新学術領域の人工光合成研究を視野に入れての研究計画）．
橋本秀樹：米国，2014年2月20日～2月23日，JSPS Alumni Symposium 4th MSF(ワシントン研
究連絡センター共催フォーラム「日本学術振興会米国事業経験者同窓会」）にて招待講演．
橋本秀樹：米国，2014年3月15日～3月23日，ACS 247th National Meeting and Expositionに参加，発表．
杉﨑満：カナダ，2012年8月1日～2013年6月1日，トロント大学サニーブルック研究所およびナノテクノロジー研究所において共同研究を行うため．

その他
1.
2.
3.

橋本秀樹：日本カロテノイド研究会幹事役員，Carotenoid Science編集委員長．
橋本秀樹：国際カロテノイド学会Council Member, President．
橋本秀樹：Chemical Physics Letters誌，Advisory Board Member．

16素励起物理学研究室

PHYSICAL REVIEW B 89, 174520 (2014)

STATISTICS OF VORTEX LOOPS EMITTED FROM . . .

is given by 1.1 × 2π × 3/4 [µm], represented by the length

	
 

研究概要

sphere velocity (namely, the vortex is small), the vortex justslips on the smooth surface of the sphere, not leading to serious
instability towards a vortex tangle. In contrast, a large vortex
with low velocity is detached easily from the sphere. Since thedetached large vortex can not move fast, the sphere collides
with it repeatedly to split it into smaller vortices towards a
vortex tangle. The critical size of the vortex ring is given by
the condition that its self-induced velocity is comparable tothe sphere velocity, which gives the critical radius of the orderof µm. Thus, we suppose that the radius of the injected vortex
ring is 1.1 µm.
Unless we keep injecting vortices, a turbulent state can
not be maintained. A vortex attached to the oscillating sphereis detached by the sphere motion in about 1 ms; therefore,
we inject vortices every 0.01 ms, which is much shorter than
1 ms. To add these vortices isotropically, the positions and thenormal directions of injected vortices on the oscillating sphere
are random.
We should study the emission of vortex loops from astatistically steady vortex tangle. However, our vortex tangle
is not uniform but localized around the oscillating sphere.
Hence, we should develop a criterion for how and where weobserve the vortex loops to collect data for statistics. Thus, we
suppose a computational spherical region covering roughly
the localized vortex tangle. The radius of the computational
spherical region is 30 µm and its center is set at the center of thesphere oscillation. First, by monitoring the vortex line length
inside the computational spherical region, we investigate how
the vortex tangle develops and whether it becomes statisticallysteady. Second, we investigate the vortex loops emitted fromthe vortex tangle in statistically steady state. The emitted vortex
loops move away independently when they are far enoughaway from the tangle around the oscillating sphere. Then,we will detect them at 30 µm from the center; the statistics
observed at 30 µm is supposed to be the same as that observedby the detector wire that is placed at a distance of the order of
1 mm away from the generator because each vortex is expected
to propagate independently out of the computational sphericalregion.

	
 0.5
vortex length (mm)The radius
1.1 µm of an injected	
 vortex is determinedlSV . 誠	
 
坪田	
 
	
 教授	
 
by the condition that the self-induced velocity of the vortex
becomescomparable to the velocity of 	 the oscillating sphere.
竹内	
 
宏光	
 講師	
 
How the attached vortex is affected by the sphere depends
stronglyontherelationof
theirvelocity.
	 	  The self-induced
velocity of a vortex ring with the radius R is the order of κ/R.
	  is larger than the
When the velocity of the attached vortex

石野	 	
 隼伍(D2)	
 藤本	
  和也(D1)	
 	
 	
 	
 	
 
青木	
  	
 雄祐(M2)	
 
仲辻	
  	
  	
 愛(M2)	
 

0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

水野	
 
佑充子(M1)	
 2
4
6
8 10 12 14 16
time (ms)山崎	
  宣紘(M1)	
 FIG. 2. (Color online) Vortex line length as a function of time in
a computational spherical region.

oscillating sphere and moves away from the sphere. When
detached vortices reconnect with each other, vortices of various
sizes are generated. What happens to them after that depends
on their size. Small vortex loops move off immediately becauseof their own high-drift velocity [9]:!
1v DF (t) =ṡ dξ,(9)ℓ c	
 1. スピノールBose-Einstein	
 凝縮体におけるスピンー
超流動乱流（坪田、藤本、青木）	
 where ℓ is the length of the vortex loop, ṡ is given by Eq. (1),and the integral is performed over the vortex loop. In contrast,
前年度に引き続き、スピン1スピノール・ボース・
large vortex loops remain around the sphere because of their
low-drift velocity. The remaining large vortex loops then form
アインシュタイン凝縮体(BEC)のスピン乱流の研究
a tangle around the sphere and we call this region the turbulent
region [see Figs. 3(a) and 3(b)].
を行った。スピン乱流が形成され，スピン相互作用
In Fig. 2, for 0 ! t < 0.95 ms, the VL increases because
the injection and the growth of the vortices dominate over theエネルギーのスペクトルに-7/3の特徴的なべき則
loss of the vortices. The total length of vortices injected during
the period of 0.95 ms is approximately 0.49 mm. The VL at 	 が現れることは既に前年度に見いだしていたが、今0.95 ms is approximately equal to the value of the total length.
For 0.95 ! t < 3.8 ms, turbulence gradually forms around
年度は、超流動成分の乱流に注目し、スピン相互作用エネルギーの-7/3則の確立とともに、
the sphere, while small vortices escape continuously fromthe computational spherical region [see Fig. 3(a)]. Then, the
超流動成分の運動エネルギーのスペクトルが-5/3則を示すことを、流体力学方程式の次
increase of the VL tapers off. For 3.8 ! t < 5.0 ms, large vortex
loops
start to escape from the computational spherical region,
元・スケーリング解析と数値計算により見いだした。この-5/3則は、普通の乱流のコルモ
reducing the VL. After 5.0 ms, in the statistically steady-state
case, the loss of vortices balances the injection and growth
ゴロフ則と同じべきだが、この系特有のスピンの非線形性により生じる。	
 of vortices so that the VL saturates, and the configuration ofvortices around the sphere is as depicted in Fig. 3(b).
	 2. 超流動4He中で振動球が作る量子乱流から放出され(a)(b)
る渦輪の統計則(坪田、仲辻)	
 III. TIME EVOLUTION OF THE GENERATED
近年、振動物体が作る量子乱流の研究が盛んに行れ
TURBULENCE
We
now
calculatethetime development of the vortex lineている。本学超低温物理学研究室の振動細線を用い
length (VL) inside the computational spherical region (seeFig. 2). The VL increases as the vortices are injected andた実験に関連して、振動球が作る量子乱流から放出
stretched. When vortices exit from the computational spherical
x
x
10 µm
10 µm
region, the VL decreases.
される渦輪の統計則について、渦糸モデルによる数
Vortices attached to the oscillating sphere are stretched	 by the sphere motion. When their edge points on the sphere
FIG. 3. (Color online) Simulations of the time evolution of a
値計算により調べた。乱流作る種となる渦輪のサイ
move toward a stagnation point and approach each other, theyvortex tangle with an oscillating sphere at (a) t = 2 ms and (b)reconnect. In this way, the vortex becomes detached from thet = 9 ms. The sphere oscillates along the x axis.
ズを一定にしても、振動球による乱流の生成が渦輪のサイズをシャッフルする。放出渦輪の方向は異方性を示し、振動方向によく放出される。この結果は、実験とは異なるが、球174520-3
表面における境界条件の改良などの必要性を提示している。	
 3. 相分離した２成分ボース・アインシュタイン凝縮体における南部・ゴールドストーンモード（竹内）	
 最近，非相対論系で起こる自発的対称性の破れに起因した南部・ゴールドストーン（ＮＧ）
モードを統一的に理解しようとする試みが活発に議論されている．最近の研究によれば，空間的な対称性が自発的に破れていない場合，ＮＧモードの分散は典型的にタイプＡの線
形分散か，二つの対称性の破れの「対」によるタイプＢの２次分散の二つに分類される事が知られている．本研究では，ドメイン壁を形成することにより自発的に空間的な対称性を破った，相分離した２成分ボース・アインシュタイン凝縮体におけるＮＧモードを全て同定した．I.	
 E.	
 Mazetsによる先行研究において，この系で分数分散をもつ二つのＮＧモードの存在が理論的に予言されていた．本研究では，この予言を否定する結論が得られ，
この系では線形分散をもつＮＧモード１つと，二つの対称性の破れの「対」による分数分散をもつＮＧモードが１つ現れることを理論・数値的に見出した．分数分散をもつＮＧモードの存在が精密な数値計算で同定されたのは本研究が世界で初めてである．	
 17

4. ２成分ボース・アインシュタイン凝縮体における対向回転
渦の不安定性（石野，坪田，竹内）	
 ２成分ボース・アインシュタイン凝縮体では，一方の成分が時計回りの渦を，他方の成分が反時計回りの渦を持った
対向回転渦が定常解として存在できる．本研究では，この渦が動的に不安定であることを示し，その不安定性と対向
超流動の不安定性と密接に関連することを明らかにした．
通常の超流体では，循環量子数がｎ（２以上）の渦は動的に不安定であり，ｎ個の量子渦に分裂する事が知られている．対向回転渦の不安定性においては，非常に面白いことに，右図に示すとおり，符号の異なるｎ個以上の量子渦に分裂する事が明らかになった．この現象は対向超流動の線形安定性解析によってよく説明される．また，循環量子数ｎが大きな対向回転渦を用意することにより，等方的な量子乱流が実験系で実現し得ることを数値的に示した．	
 
	
 
	
 
	
 

教育・研究業績＜学術論文＞
1. Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Spin-superflow turbulence in spin-1 ferromagnetic spinor Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 90, 013629 (2014);arXiv:1401.0599v1.
2. Ai Nakatsuji, Makoto Tsubota, and Hideo Yano
Statistics of vortex loops emitted from quantum turbulence driven by an oscillating sphere
Phys. Rev. B 89, 174520 (2014); arXiv:1311.5061v1.
3. Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Spin turbulence with small spin magnitude in spin-1 spinor Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 88, 063628 (2013);arXiv:1308.5504.
4. Shungo Ishino, Makoto Tsubota and Hiromitsu Takeuchi
Counter-rotating vortices in miscible two-component Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 88, 063617 (2013);arXiv:1310.2082v1.
5. Makoto Tsubota, Yusuke Aoki, and Kazuya Fujimoto
Spin-glass-like behavior in the spin turbulence of spinor Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 88, 061601(R) (2013);arXiv:1304.4674v1.
6. Hiromitsu Takeuchi and Kenichi Kasamatsu
Nambu-Goldstone Modes in Segregated Bose-Einstein Condensates
Phys. Rev. A 88, 043612 (2013); arXiv:1309.3224.
7. Kenichi Kasamatsu, Hiromitsu Takeuchi, and Muneto Nitta
D-brane solitons and boojums in field theory and Bose-Einstein condensates
Journal of Physics: Condensed Matter 25, 404213 (2013) ;arXiv:1303.4469.
8. Kenichi Kasamatsu, Hiromitsu Takeuchi, Makoto Tsubota, and Muneto Nitta
Wall-vortex composite solitons in two-component Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 88, 013620 (2013);arXiv:1303.7052v1.
9. R. Tsuchitani and M. Tsubota
Expansion of a Bose-Einstein Condensate with Vortices
J. Low Temp. Phys. 174, 223 (2014).

18

10.

Makoto Tsubota and Kazuya Fujimoto
Spin turbulence in spinor Bose-Einstein condensates
J. Phys.: Conf. Ser. 497, 012002 (2014);arXiv:1312.4604v1.
11.
Makoto Tsubota
Turbulence in quantum fluids
J. Stat. Mech. P02013 (2014);arXiv:1312.0092.
12.
N. Yamasaki and M. Tsubota
Dynamics of a Particle and a Quantized Vortex at Zero Temperature: Self-consistent Calculation
J. Low Temp. Phys. 175, 353 (2014).
13.
A. Nakatsuji and M. Tsubota
Dynamics of the Cluster of Vortex Points in Two-Dimensional Superfluid 4He
J. Low Temp. Phys. 175, 339 (2014).
14.
K. Fujimoto and M. Tsubota
Spin Turbulence in Spin-1 Spinor Bose-Einstein Condensate with Antiferromagnetic Interaction
J. Low Temp. Phys. 175, 229 (2014).
15. Yusuke Aoki, Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Calculation of Spin Glass Order Parameter in Spin Turbulence of Spin-1 Spinor Bose-Einstein
Condensate
J. Low Temp. Phys. 175, 216 (2014).
16. Kenichi Kasamatsu, Hiromitsu Takeuchi, and Muneto Nitta
D-brane solitons and boojums in field theory and Bose-Einstein condensates
Journal of Physics: Condensed Matter 25, 404213 (2013) ;arXiv:1303.4469.
17.
Makoto Tsubota, Michikazu Kobayashi, Hiromitsu Takeuchi
Quantum hydrodynamics
Physics Reports 522, 191 (2013)18.
S. Higashitani, H. Takeuchi, S. Matsuo, Y. Nagato, and K. Nagai
Magnetic Response of Odd-Frequency s-Wave Cooper Pairs in a Superfluid Proximity System
Phys. Rev. Lett. 110, 175301 (2013)
19.
Makoto Tsubota
Hydrodynamic Instability and Turbulence in Quantum Fluids
J. Low Temp. Phys. 171, 571 (2013) ; arXiv:1207.3589v1.
20.
T. Kusumura, H. Takeuchi and M. Tsubota
Energy Spectrum of the Superfuid Velocity Made by Quantized Vortices in Two-Dimensional
Quantum Turbulence
J. Low Temp. Phys. 171,563 (2013)
21.
A. Nakatsuji, M. Tsubota and H. Yano
Propagation of Quantized Vortices Driven by an Oscillating Sphere in Superfuid 4He
J. Low Temp. Phys. 171,519 (2013) .
22.
Y. Mineda, M. Tsubota and W.F. Vinen
Decay of Counterfow Quantum Turbulence in Superfuid 4He
J. Low Temp. Phys. 171,511 (2013) ;arXiv:1207.2213v1.
23.
Hiromitsu Takeuchi, Kenichi Kasamatsu, Makoto Tsubota and Muneto Nitta
Tachyon Condensation and Brane Annihilation in Bose-Einstein Condensates: Spontaneous
Symmetry Breaking in Restricted Lower-Dimensional Subspace
J. Low Temp. Phys. 171,443 (2013)24.
S. Ishino, M. Tsubota and H. Takeuchi
Instability of Overlapped Vortices Rotating in Opposite Directions in Binary Bose-Einstein
Condensates
J. Low Temp. Phys. 171,429 (2013) .
25.
Makoto Tsubota and Kazuya Fujimoto
Spin Turbulence and the - 7/3 Power Law in a Trapped Spin-1 Spinor Bose-Einstein Condensate
J. Low Temp. Phys. 171, 422 (2013) .
26.
S. Hayashi, S. Ishino, M. Tsubota and H. Takeuchi
Helical Shear-Flow Instability in Phase-Separated Two-Component Bose-Einstein Condensates

19J. Low Temp. Phys. 171,408 (2013) .
Yusuke Aoki, and Makoto Tsubota
Spin Turbulence Made by the Oscillating Magnetic Field in a Spin-1 Spinor Bose-Einstein
Condensate
J. Low Temp. Phys. 171, 382 (2013) .
28. 矢野英雄、坪田	  誠 	 物体の運動で発現する量子乱流 	
 日本物理学会誌	
 68	
 No.11,	
 734-738	 (2013).	
 27.

＜学術講演＞（国際会議）
1. Makoto Tsubota
Quantum Hydrodunamics and Turbulence in Atomic Bose-Einstein Condensates (invited)
Qunatum Gases, Fluid and Solids, São Carlos, Brazil, August 14-17. 2014.
2. Hiromitsu Takeuchi
Countersuperflow turbulence in binary Bose-Einstein condensates (invited)
ULT2014: International Conference on Ultralow Temperature Physics, San Carlos de Bariloche,
Argentina, August 14-18. 2014.
3. Hiromitsu Takeuchi
Topological possibility of defect formation from interface annihilation in superfluid 3He (invited)
ULT2014: International Conference on Ultralow Temperature Physics, San Carlos de Bariloche,
Argentina, August 14-18. 2014.
4. S. Yui and M. Tsubota
Thermal counterflow with normal fluid Poiseuille flow in a rectangular channel
International Conference on Ultralow Temperature Physics, Patagonia, Argentina, August 14-18.
2014.
5. M. Tsubota and K. Fujimoto
Spin‑ superflow Turbulence in spinor Bose‑ Einstein condensates
27th International Conference on Low Temperature Physics, Buenos Aires, Argentina, August
6-13. 2014.
6. H. Takeuchi
Scaling Law of Freely Decaying Turbulence in Binary Bose-Einstein Condensates
27th International Conference on Low Temperature Physics, Buenos Aires, Argentina, August
6-13. 2014.
7. Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Correlation of superfluid velocity in spin-superflow turbulence for ferromagnetic spin-1 spinor
Bose-Einstein condensate
23rd Annual International_Laser Physics Workshop, Sofia, Bulgaria, July 14-18. 2014.
8. Hiromitsu Takeuchi and Ayaka Usui
Countersuperflow in Binary Bose-Einstein Condensates with Rabi Coupling
45th Annual DAMOP Meeting, Madison, Wisconsin, June 2-6. 2014.
9. Hiromitsu Takeuchi, Shungo Ishino, and Makoto Tsubota
Quantum Turbulence Arising from Countersuperflow Instability in Miscible Two-component
Bose-Einstein Condensates
45th Annual DAMOP Meeting, Madison, Wisconsin, June 2-6. 2014.
10.
Makoto Tsubota(invited)
Simulations -Laminar Normal Fluid Quantum Turbulence and Its Visualization,
Abu Dhabi, May 5-7. 2014.
11.
H. Takeuchi, S. Higashitani, K. Nagai, Yoonseok Lee, H.C. Choi, B.H. Moon, N. Masuhara,
M.W. Meisel, N. Mulders
Ultrasound Attenuation in Normal Fluid 3He in 98% Aerogel: Knudsen-to-Hydrodynamic
Crossover
APS March Meeting 2014, Denver, Colorado, March 3-7. 2014.

20

12.
Hiromitsu Takeuchi and Kenichi Kasamatsu
Nambu-Goldstone modes in segregated Bose-Einstein condensates
APS March Meeting 2014, Denver, Colorado, March 3-7. 2014.
13.
Kazuya Fujimoto, Yusuke Aoki, and Makoto Tsubota
Study of turbulence in spin-1 spinor Bose-Einstein condensates from the perspective of wave
turbulence
Weak Chaos and Weak Turbulence, Dresden ,Germany, February 2-9. 2014.
14.
Makoto Tsubota
Quantum Turbulence(invited)
Weak Chaos and Weak Turbulence, Dresden ,Germany, February 2-9. 2014.
15.
Hiromitsu Takeuchi
Quantum hydrodynamic instability and projected spontaneous symmetry breaking in superfluid(invited)
Quantum Science Symposium Asia-2013, Tokyo, Japan, 11.25-26. 201316.
N. Yamasaki and M. Tsubota
Dynamics of a particle and a quantized vortex at zero temperature : selfconsistent calculation
QFS2013: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Matsue, Japan, 8.1-6. 2013.
17.
A. Nakatsuji and M. Tsubota
Dynamics of the Cluster of Vortex Points in Two-Dimensional Superfluid 4He
QFS2013: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Matsue, Japan, 8.1-6. 2013.
18.
Yusuke Aoki, Kazuya Fujimoto, and Makoto Tsubota
Spin-glass-like behavior of spin turbulence in spinor Bose-Einstein condensates
QFS2013: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Matsue, Japan, 8.1-6. 2013.
19.
K. Fujimoto and M. Tsubota
Spin turbulence in spin-1 spinor Bose-Einstein condensate with antiferromagnetic interaction
QFS2013: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Matsue, Japan, 8.1-6. 2013.
20.
S. Ishino, H. Takeuchi, and M. Tsubota
Instability of Counter-rotating Vortices in miscible two-component Bose-Einstein condensates
QFS2013: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Matsue, Japan, 8.1-6. 2013.
21.
H. Takeuchi, K. Kasamatsu, M. Tsubota, and M. Nitta
Diffusion of Vortices to `Extra-Dimension' in Tachyon Condensation via Domain Wall
Annihilation in Segregated Bose-Einstein Condensates
QFS2013: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Matsue, Japan, 8.1-6. 2013.
22.
S. IshinoInstability of countersuperflow in two-component Bose-Einstein condensates
STATPHYS 25, Seoul,Korea, 7.21-26. 2013.
23.
H. Takeuchi
Tachyon Condensation Due to Domain-Wall Annihilation in Bose-Einstein Condensates
STATPHYS 25, Seoul,Korea, 7.21-26. 2013.
24.
Makoto Tsubota
Hydrodynamic Instability and Turbulence in Quantum Systems(Invited)
STATPHYS 25, Seoul,Korea, 7.21-26. 2013.
25.
Makoto Tsubota
Quantum Hydrodynamics and Turbulence in Bose-Einstein Condensates(Invited)
LPHYS' 13, Prague,Czech Republic, 6.15-19. 2013.
（国内会議）
1. 竹内宏光 	 	  ２成分量子流体における相転移動力学的研究 	
 	
  物性研短期研究会「スーパーマターが拓く新量子現象」、東京大学物性研究所、2014.4.17-19	
 2. 藤本和也 	 	  強磁性スピノールBose-Einstein凝縮体で実現するスピン-超流動乱流とエネルギースペク	
 
	
 トル 	
 
	
 	
 物性研短期研究会「スーパーマターが拓く新量子現象」、東京大学物性研究所、2014.4.17-19	
 21

3. 坪田誠 	 	 	 スーパーマターで展開される量子乱流研究(Invited) 	
 	 	
 物性研短期研究会「スーパーマターが拓く新量子現象」、東京大学物性研究所、2014.4.17-19	
 4. 坪田誠 	 	 	
 量子乱流の動的秩序(Invited) 	
 	 	
 日本物理学会、第69回年次大会、東海大学、2014.3.27-30	
 5. 湯井悟志，坪田誠 	
 	 	
 熱対向流中の量子乱流：ポアズイユ型常流動速度場の効果 	 	 	 日本物理学会、第69回年次大会、東海大学、2014.3.27-30	
 6. 水野佑充子，出原健太郎，竹内宏光 	 	 	
 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パターン形成のダイナミクスと	 	 	 その統計的性質 	
 	
  日本物理学会、第69回年次大会、東海大学、2014.3.27-30	
 7. 竹内宏光，笠松健一 	 	  相分離した2成分BECにおける南部・ゴールドストーンモード 	 	  日本物理学会、第69回年次大会、東海大学、2014.3.27-30	
 8. 竹内宏光 	 	  Nambu-Goldstone	
 Modes	 in	
 Segregated	
 Bose-Einstein	 Condensates 	 	
  対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象	
  第4回領域研究会,	
 名古屋大学,	 	  	 	  12.19-21.	
 2013.	
 9. 石野隼伍，竹内宏光，坪田誠 	 	
  2成分ボースアインシュタイン凝縮体における量子乱流の減衰 	 	  日本物理学会、2013年秋季大会、徳島大学、2013.9.25-28	
 10.
藤本和也，青木雄祐，坪田誠 	 	
  反強磁性相互作用をするスピノールBose-Einstein凝縮体におけるスピン乱流とエネルギ	 	
  ースペクトル 	 	  日本物理学会、2013年秋季大会、徳島大学、2013.9.25-28	
 11.
青木雄祐，藤本和也，坪田誠 	 	  スピノールBose-Einstein凝縮体のスピン乱流におけるスピングラス的振る舞い 	 	
  日本物理学会、2013年秋季大会、徳島大学、2013.9.25-28	
 12.
仲辻愛，坪田誠 	 	
  2次元超流動4He中の渦点クラスターのダイナミクス 	 	  日本物理学会、2013年秋季大会、徳島大学、2013.9.25-28	
 13.
山崎宣紘，坪田誠 	 	 	
 絶対零度での量子渦糸と固体微粒子の相互作用 	 	 	 日本物理学会、2013年秋季大会、徳島大学、2013.9.25-28	
 （研究会、セミナー）
1.坪田誠 	 	 	 量子乱流 	
 
	
 	
 QCD	
 Club,	
 東京大学本郷キャンパス,	
 2014.7.23.	
 2.坪田誠 	 	 	 量子乱流 	 	 	 大阪大学大学院理学研究科,	
 2013.12.3.	
 22

＜学位論文＞
修士論文
1. 青木雄祐：「スピン1	
 スピノルBose-Einstein	
 凝縮体におけるスピン乱流の数値解析的研究」	
 2. 仲辻	
  愛：「超流動4He	
 での量子渦のダイナミクスの数値解析的研究」	
 	
 ＜研究助成金取得状況＞
1.

石野隼伍
日本学術振興会特別研究員奨励費「量子流体の非平衡ダイナミクスの理論的研究」\900,000

2.

竹内宏光
研究活動スタート支援「超流体中の射影低次元空間における自発的対称性の破れ」\1,100,00023超伝導物理学研究室
村田惠三	
 

教授

横川敬一(客員研究員)
多田諒大 (M1)平山光	
  (M1)

Md.

研究概要
1. HMTSF-TCNQの磁場誘起新電子相の発見
最初の有機物超伝導体はTMTSF2PF6は擬１次元金属性を持ち、温度低下によりある温度でフェルミ面のネスティングと強相関性により絶縁体化する。この絶縁相はスピン密度波によるものであった。これを0.65 GPaの圧力下では超伝導が見られ、更なる高圧では全温度領域で金属となる。概ね超伝導が現れる圧力域で、磁場誘起でスピン密度波が現れる。
これにはサブ相があり、磁場掃引で1次の相転移を次々と引き起こす。また、このサブ相内で量子Hall効果を示す。
TMTSF2PF6に至る前駆物質にTTF-TCNQという物質があり、擬１次元金属性を持ち、温度低下によりある温度でフェルミ面のネスティングと電子格子相互作用により絶縁体化
す る 。 こ の 絶 縁 相 は 電 荷 密 度 波 に よ る も の で あ っ た 。 TTF-TCNQ の 発 展 類 縁 物 質 に
HMTSF-TCNQという物質があり、これでTMTSF2PF6塩で見られたものと対照的な現象が見えたら物理学の理解に大いに寄与する。本研究はそれを狙っている。
しかし、今までの試料は単結晶性に難があり、角度依存の解析が難しかった。ところが、良質な単結晶ができることが分かり、その試料を用いて量子Hall効果の可能性を求めて実験を米国(National High Field Magnet Lab/ Florida State Univ. FL, USA)で行った。
強磁場下で高圧力セルを回転しながら測定した磁気抵抗の測定からその実態が顕著になってきた。各種国際会議に発表、海外からも招待された。
2. 次世代超高圧印加用圧力媒体油の研究
高圧力実験は閉じ込められた空間内に試料をおき、試料空間サイズをシリンダー状の軸方向に押して加圧する。全ての媒体はある圧力で固化するので、固化したあと更に加圧す
ると、静水圧力でもなく、1軸圧力でもなくなり、物理的解析は困難になる。このため、我々は固化圧力の高い圧力媒体の開発を行い、広く物性物理学の発展に寄与を目指している。現在、導電ペーストを溶かさない媒体としては、室温で3.7 GPaという世界最高の値を出して、多くの研究者に使われている。
新種の媒体についてテストを重ねたが、上記のレコードを超えるものはなかった。継続中である。

教育・研究業績
著書
1. なし
学術論文
1. Magnetic-Field-Induced Phase Transitions in the Quasi-One-Dimensional Organic Conductor
HMTSF-TCNQ, K. Murata, Y. Fukumoto, K. Yokogawa, R. Takaoka, W. Kang, J. S. Brooks, D.
Graf, H. Yoshino, T. Sasaki, R. KATO, (2014) Fizika Nizkikh Temperatur (New Achievement of
Fermiology, a Memorial Issue for the 60th Year Anniversary of Lifschitz-Kosevich Theory), 40,24

477-483. http://fnte.ilt.kharkov.ua/main.php?page=3, Low Temperature Physics, 40, 371-376.
http://dx.doi.org/10.1063/1.4869591
2. Magnetic-Field-Induced Phase Transition and a Possible Quantum Hall Effect in the
Quasi-One-Dimensional CDW Organic Conductor HMTSF-TCNQ
Keizo Murata, Yuhei Fukumoto, Keiichi Yokogawa, Woun Kang, Ryo Takaoka, Ryota Tada,
Hikaru Hirayama, James S. Brooks, David Graf, Harukazu Yoshino, Takahiko Sasaki, Reizo
Kato, Journal of Modern Physics, 2014, 5, 673-679. Published Online May 2014 in SciRes.
http://www.scirp.org/journal/jmp, http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.58078
国際会議講演1. K. Murata, Y. Fukumoto, R. Takaoka, K. Yokogawa, H. Yoshino, W. Kang, J.S. Brooks, D. Graf, A.
Kiswandhi, T. Sasaki, R. Kato, Magnetic-Field-Induced Phases HMTSF-TCNQ studied at 1 GPa,
up to 45 Tesla, International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors andMagnets, Montreal, Canada, 2014.7.14-7.19.
2. Y. Fukumoto, R. Takaoka, K. Yokogawa, H. Yoshino1, K. Murata, W. Kang, J.S. Brooks, D. Graf,
A. Kiswandhi, T. Sasaki, R. Kato, Field-Induced CDW Phases in HMTSF-TCNQ Under Pressure of~1 GPa, International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors and Magnets,
Montreal, Canada, 2014.7.14-7.19.
3. K. Murata, Hall Effect in the Field-Induced States in the Quasi-1D CDW Organic Conductor,
HMTSF-TCNQ, An International Workshop onTopological quantum matter and two-dimensional
superconductors, January 11 – 14 , 2014, Kuming, Yunan Province, Kunming, China.
学会・研究会講演
1. 福本雄平, 高岡亮, 横川敬一, W. Kang, L. Winter, B. Shermane, A. Kiswandhi B,
D. Graf, J. S. Brooks, 藤原秀紀, 吉野治一, 佐々木孝彦 加藤礼三, 村田惠三、HMTSF-T
CNQの1 GPa圧力下, Lebed-Osada振動と磁場誘起相、日本物理学会 27pDJ-6、徳島大学

2013.9.27.
2. 岩崎義己，吉野治一，菊地耕一，村田惠三, 擬一次元有機超伝導体(DMET)2X (X = I3,
AuI2)の熱伝導度, 日本物理学会 27pDJ-1、徳島大学2013.9.27.
3. 野浪大輝，吉野治一，菊地耕一A，村田惠三、擬一次元有機超伝導体(DMET)2I3 の熱電能の圧力依存性、27pDJ-2, 徳島大学2013.9.27.
4. 村田惠三，福本雄平，横川敬一，高岡亮,	
 KANG	 Woun,	
 BROOKS	 James，GRAF	
 David,吉野治一,	
 
佐々木	
 孝彦,	
 加藤礼三,	
 高圧討論会	 2A-01,	 新潟	
  2013.11.
村田惠三，福本雄平，平山光，多田諒大，W. Kang，横川敬一,吉野治一，J.S. Brooks，D.
Graf，A. Kiswandhi, 菊川直樹，佐々木孝彦，加藤礼三, EHMTSF-TCNQの磁場誘起相V, 日本物理学会 28aBC-1, 東海大学2014.3.28.

その他
1. 第2ビル	
  2013.6.7 村田惠三、講座名	  「平成25年5・6月文化交流センター講座」、テーマ	
  「今、そこにある危機	  	  我々はどうのり越える？」「こんな日本にしたい--未然防止思考が社会の発展を妨げる、そしてshow and talkの勧め」
2. 村田惠三ほか：サイエンスフェスタ	  2013年8月	
  大谷女子高校

学位論文
修士論文
1. 高岡亮：25

擬一次元導体HMTSF-TCNQの磁場誘起相と擬二次元導体
α -[(S,S)-DMDH-TTP]2AuI2 の 温 度 依 存 性 の な い 電 気 抵 抗 (Field-Induced Phases of
Quasi-One-Dimensional Conductor HMTSF-TCNQ and Temperature-Independent Resistivity in
Quasi-Two-Dimensional Conductor α-[(S,S)-DMDH-TTP]2AuI2)
博士論文
なし。

研究助成金取得状況
1. 村田惠三：共同研究：「次世代超高圧印加用圧力媒体油の研究」45万円

海外出張および海外研修
1.

2.
3.

4.

5.
6.
7.

村田惠三：2013.7.14 – 7.21 「有機金属、有機超伝導体、有機強磁性体の国際シンポジウ
ム,The 10th International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors, andMagnets (ISCOM2013)」に参加、講演。
村田惠三：2013.10.1 – 10.16.	
 サンパウロ大学にてJardim教授らと国際学術交流を行う。
村田惠三：2013.12.5 – 12.16.	
 「米国強磁場施設で、有機伝導体の高圧下磁気抵抗の測定を行う。」「米国強磁場研究所（NHMFL, National High Mag. Fied Lab.）/Florida State Univ.」
にて強磁場実験。
村田惠三：2014.1.10-1.16	
 “International	
 Workshop	
 on	
 Topological	
 quantum	 matter	 and	
 two-dimensional	
 superconductors”への招待講演。
村田惠三：2014.1.19-1.28 「二国間交流事業」によるインド研究所等の訪問による研究交流
村田惠三：2014.2.10 ソウル大学 研究打ち合わせ。
村田惠三：2014.3.02 ソウル大学 研究打ち合わせ。

その他
1.
2.
3.
4.

村田惠三：東北大学金属材料研究所強磁場施設利用者委員
村田惠三：東京大学物性研究所利用者委員
村田惠三：日本物理学会	
  欧文編集誌	  編集委員村田惠三：文部科学省	
  科学技術専門調査員

26

電子相関物理学研究室
小栗 章
西川 裕規

教授
講師

粟根美由紀 (M2)佐藤泉 (M2)

寺谷義道 (B4)

研究概要
本研究室では、固体中の強相関電子系の多彩な量子状態、および相転移に関する理論研究を行っている。主として、最近グラフェンやナノチューブなどのカーボン系や、単一分子レベルのエレ
クトロニクスとも関連する広がりを見せている、量子ドットやナノ物質系の磁性や電気伝導に与える電子相関の効果に関する理論研究を、場の量子論と数値・計算物理学的な方法を駆使し進めている。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・近藤効果と非平衡量子輸送現象、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磁性の競合の詳細について調べている。2013 年度の研究内容は次の通りである：(1) 量子ドット系の低エネル
ギー状態の性質、および非平衡定常状態におけるショットノイズに関する有効理論の定式化。 (2)
不純物 Anderson 模型の高バイアス極限における Green 関数の厳密の導出と多軌道形の拡張。(3)超伝導体と接合された量子ドット系における Andreev・Josephson・近藤効果の競合と量子相転移
関する数値的研究。(4) Hund 結合のある量子不純物における量子相転移、多体相関によるくりこ
みの効果。これらに関する研究を重点的に進めた。以下に、それぞれについての研究概要を記す。

1. 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) 展開という新たな手法が有効であることを、数年前に明らかにした。ただし、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、それらは全て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った。これに対し我々の展開法は電子間斥力 U の摂動展開に基づく。1/(N − 1) のゼロ次はHartree-Fock 近似、1/(N − 1) の 1 次で Random Phase Approximation、1/(N − 1) の 2 次からスピンや電荷の量子揺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て、この方法の有効性を示してきた。2013 年度には、特に Green 関数の ω 依存性を詳細に調べ、振動数 ω に関する依存性に関する計算を進めた。論文準備中。
2. 相互作用する電子系の低エネルギーの性質には、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から決定される普遍的な構
造を通し理解されてきている。これらの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。したがって、逆の極限である高エネルギー領域の知見も全エネルギ―領域における電子系の物理を知る上で必要になる。我々は、これまでに Anderson 模型の高バイアスの極限で、非平衡 Green 関数を厳密に求ている。特に、熱場の量子論から非エルミート有効ハミルトニアンを導出し、従来のHubbard I と呼ばれる原子極限からの近似が、高バイアスでは３つの相関関数の閉じた連立運動方程式によりダンピング効果が正確に取り入れるように拡張された形式で厳密に成立することを明らかにした。この発展として高バイアス極限の厳密解の多軌道の場合への拡張に成功し、さらにこの極限からの補正項を取り入れる展開について研究を進めている。
3. 超伝導体との接合系に関する研究では、特に、２本の超伝導リードと１本の常伝導リードからなる３端子に接続された単一量子ドット、および 3 角形 3 重量子ドットに関する研究を行っている。 我々は、低エネルギー状態が相互作用する Bogoliubov 粒子系の局所 Fermi 流体として記述されることを示し、さらに数値くりこみ群を用いた計算に基づいて Josephson 位

27

相、Andreev 散乱、および近藤効果が競演に関する研究を進めている。2013 年度には、この系における多様な基底状態の分類を、波動関数と数値くりこみ群の固定点の詳細な比較し、系統的な分類を行った。さらに、伝導電子によるする局所モーメントの完全遮蔽と不完全遮
蔽の量子相転移に関する相図を広いパラメータ空間において調べた。その結果、基底状態の変化の全貌がほぼ明らかになった。論文準備中。

4. 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。我々はこの系の低エネ
ルギー有効モデルを通して低エネルギー状態での SU(4) 対称性の出現の有無を考察した。その結果、もとの系に SU(4) の対称性がない場合は、短距離電子間斥力の大きさが伝導電子バンド幅より大きい場合に限って SU(4) の対称性が低エネルギーに於いて漸近的に出現する事が分かった。またこの系に磁場と軌道分裂を加えた系も考察し、スピン自由度と軌道自由度の近藤効果へ寄与を考察した。さらに 2 重量子ドットを通した電気伝導度も計算し、最近の実験でみられた電気伝導度の特徴的振舞が SU(4) の対称性の出現の有無にかかわらず定性的に説明できる事を示した。その他、４重量子ドット上の磁性的性質（リーブ強磁性と長岡強磁性）と近藤効果が競合する系の興味あるパラメータ領域を考察した。

教育・研究業績
学術論文
1. Y. Nishikawa, A. C. Hewson, D. J. G. Crow, and J. Bauer, “Analysis of low-energy response
and possible emergent SU(4) Kondo state in a double quantum dot”, Phys. Rev.B 88,
245130 (2013), 14 pages.
2. A. Oguri, and Rui Sakano, “Exact interacting Green’s function for the Anderson impurity
at high bias voltages”, Phys. Rev. B 88, 155424 (2013), 11 pages.
3. A. Oguri, R. Sakano and T. Fujii, “1/(N − 1) expansion for an SU(N ) impurity Andersonmodel: a new large-N scheme based on a perturbation theory in U ”, in Low-Dimensional
Functional Materials (NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics), edited by R. Egger, D. Matrasulov, and K. Rakhimov, pp. 165–178 (Springer,
Dordrecht, The Netherlands, 2013), ISBN:978-9400766662.
4. A. Oguri, and Rui Sakano, “1/(N − 1) expansion approach to full counting statistics for
the SU(N ) Anderson model”, Journal of the Korean Physical Society 63, 423–427 (2013).

国際会議講演
1. A. Oguri and M. Awane, “Double expansion with respect to U and 1/(N − 1) for an
SU(N ) impurity Anderson model”, American Physical Society March Meeting (March
2014, Denver).
2. A. Oguri and R. Sakano, “Correlations functions of an Anderson impurity at high energies”,
International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (August 2013, Tokyo).
3. R. Sakano, A. Oguri, Y. Nishikawa, and A. C. Hewson, “Cross-correlation of Nonequilibrium Current through a Quantum Dot with a Hund s Rule Exchange Coupling”, International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (August 2013, Tokyo).

28

学会・研究会講演1. 佐藤 泉，小栗 章, 「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」, 日本物理学会 (2014.3 東海大学 湘南キャンパス)2. 粟根 美由紀，小栗 章,「SU(N ) 近藤効果の 1/(N − 1) 展開による研究：Green 関数の ω 依
存性に対する軌道縮退の効果」, 日本物理学会 (2014.3 東海大学 湘南キャンパス)3. 阪野 塁，小栗 章,「バイアスを印加された近藤量子ドットのスピンカレント揺らぎ,」日本物理学会 (2014.3 東海大学 湘南キャンパス)4. 粟根 美由紀，小栗 章,「軌道縮退 Anderson 模型の 1/(N − 1) 展開：量子ドット系の動的相関関数 I,」日本物理学会 (2013.9 徳島大学)
5. 小栗 章，粟根 美由紀,「軌道縮退 Anderson 模型の 1/(N − 1) 展開：量子ドット系の動的相関関数 II,」日本物理学会 (2013.9 徳島大学)
6. 阪野 塁，小栗 章，西川 裕規，A. C. Hewson, 「S = 1 近藤ドットにおける電流のスピン・軌道チャネル間相関」, 日本物理学会 (2013.9 徳島大学)
7. 阪野 塁，小栗 章，西川 裕規，A. C. Hewson，加藤 岳生,「近藤ドットによる電流中のエンタグルメ生成とベル型不等式」, 日本物理学会 (2013.9 徳島大学)

学位論文
修士論文
1. 粟根 美由紀：
「N 重に縮退した軌道をもつ不純物 Anderson 模型の 1/(N − 1) 展開」
2. 佐藤 泉：「超伝導リードに接続された 3 角形 3 重量子ドットの基底状態の性質」

研究助成金取得状況
1. 小栗章：学術振興会・基盤研究 (C)「量子ドット・ナノ物質系における強相関電子による量
子輸送の理論的研究」50 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、2013 年 9 月 10 日 〜 2013 年 10 月 16日、研究打ち合わせ
2. 小栗 章：アメリカ合衆国、2014 年 3 月 2 日〜2014 年 3 月 9 日、APS March meeting (Denver,USA) 出席・発表

その他

29

宇宙線物理学研究室
林嘉夫	
  教授
荻尾彰一 准教授
櫻井信之 特任助教
小島浩司 客員教授

山﨑勝也(D2)
後藤昂司(M2)

小西翔吾(B4)
山本実加(B4)
和知慎吾(B4)

研究概要
1. 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（林、小島）	
 	  	  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月から現在まで安定した観測を行っている。本実験は10	
 TeV以上の宇宙線・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おこなっている。2013年度は前年度に導入した新TDC	 module	 を使って本格的にデータ収集を行っている。	
 また、ガンマ線や核組成の判定の精度を高めるためにミューオン検出器の面積を約２倍に増強するための準備を進めている。2013年度は比例計数管の製作に使用するために真空系の整備（分子ターボポンプ、Heリーク検出器を購入）し、製作の手続きを確認し、大量生産（10cm×10cm×6mの比例計数管を約4000本）する目処をたてた。	
 	
 2. 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）	
 	  	  インド・ウーティに設置したGRAPS-3多方向ミューオン望遠鏡により多方向から入射する
宇宙線強度の変動を定常観測している。そして，これらの観測によって得られる宇宙線強度
変動と、衛星観測による太陽風速度変動等の惑星間空間プラズマの物理量の変動とを比較して、それらを関連付けるパラメータを決定する。さらに、多方向ミューオン望遠鏡によって得られる宇宙線強度の２次元地図と複数の人工衛星観測で得られる太陽風の空間的構造とを比較することにより、宇宙線の異方性と太陽風の空間構造との関連を明らかにして磁気雲の３次元構造の解明を図る。2013年度は、宇宙線強度の恒星時日変化と惑星間磁場の極性境界
面(NS境界面)との関係について調べ、NS境界面と赤道面の傾斜角とSwinson	
 flowの解析から、
Toward、Awayそれぞれの領域に逆極性フローの混在が示唆されること、Toward、Awayの極性間の差の位相は期待どおりであるものの、振幅は過去の諸報告と比べると変動していて、太陽活動と関連した変動の存在の可能性があることがわかった。	
 	
 3. テレスコープアレイ実験における最高エネルギー宇宙線の観測とデータ解析（荻尾、山﨑、
後藤）	
 
	
  	
  有効検出面積約700	
 km2の北半球最大の宇宙線観測装置を用いて最高エネルギー宇宙線を観測する国際共同研究『テレスコープアレイ実験』（日本、米国、韓国、ロシア、ベルギーの26研究機関、約130名研究者が参加）に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。観測装置は米国ユタ州に建設され、2008年3月から定常観測を継続している。2013年度は、装置の運用、観測実施に参加し、主として以下の研究に取り組んだ。	
 ①	
  大気蛍光望遠鏡単眼解析による極高エネルギーガンマ線の探索	
 ②	
  可搬UVレーザーを用いた大気蛍光望遠鏡の較正	 ③	
  大気蛍光望遠鏡単眼解析による化学組成の推定	 	
 4. テレスコープアレイ実験の低エネルギー拡張計画(TALE計画)のため検出器の開発（荻尾、後藤、小西、山本、和知）	
 

30

	
  	
  テレスコープアレイ実験の観測装置に隣接して、より低エネルギー（1016eV-1018eV）の宇宙線に感度を持つ空気シャワーアレイを展開する計画である。この空気シャワーア
レイを構成するプラスチックシンチレーター地表検出器、シールドされたミューオン検出器（多数の比例計数管で構成される）の開発のためのシミュレーションコードを開発し、その基本的な性能を評価した。同時に、これらの検出器のための制御エレクトロニ
クスの開発に取り組んでいる。	
 	
 5. 大気中の荷電粒子カスケードシャワーからの分子制動放射の特性測定（荻尾）	
 	  	  全く新しいシャワー観測法の基礎研究を、甲南大学と共同で2009年から継続している。
その観測法とは、シャワー中の電子成分粒子からの分子制動放射を、特に4GHzマイクロ波帯（Cバンド、Kuバンド）で検出する方法である。テレスコープアレイ実験の大気蛍光望
遠鏡サイトの1つであるBlack	 Rock	
 Mesaサイトにおいて、電子線形加速器による電子ビー
ムからの電波放射の観測を実施した。	
 	
 6. 環境放射線（ガンマ線）のエネルギースペクトルの測定（林、和知、荻尾）	
 	  	  宇宙線の地上での観測に対するバックグラウンドとなる環境放射線、特にミューオン
検出器の遮蔽物の主成分であるコンクリート中の同位元素壊変によるガンマ線を主眼に置いて、そのエネルギースペクトルを精密測定した。結果は宇宙線検出器の性能評価のためのシミュレーションに組み込まれる。	
 教育・研究業績
著書なし
学術論文
1. T. Abu-Zayyad, et al., “Correlations of the arrival directions of ultra-high energy cosmic r
ays with extra galactic objects as observed by the Telescope Array experiment”, Ap. J.,
777, 88(2013)
2. 常定芳基, 荻尾彰一, 佐川宏行,「超高エネルギー宇宙線観測の現在:テレスコープアレイ
実験の結果」, 日本物理学会誌, 68巻, 10号, 672(2013)
3. T. Abu-Zayyad, et al., “The energy spectrum of ultra-high-energy cosmicrays measured by
the Telescope Array FADC fluorescence detectors in monocular mode”, Astropart. Phys.,
48, 16(2013)
4. T. Abu-Zayyad, et al., “The cosmic-ray energy spectrum observed with the surface detector of the Telescope Array experiment”, Ap. J., 768, L1(2013)
5. 荻尾彰一, 野中敏幸, 「TA Low Energy extension(TALE)実験」, ICRRニュース, 85号, 4(2013)
6. T. Abu-Zayyad, et al., “Upper limit on the flux of photons with energies above 1019 eV
using the Telescope Array surface detector”, Phys. Rev. D, 88, 112005(2013)
7. S. K. Gupta et al., “Measurement of arrival time of particles in extensive air showers using
TDC32”, Exp. Astron., 35, 507(2013)
国際会議会議録
1. S. Ogio, et al., “Search for molecular bremsstrahlung radiation signals in Ku band with coincidental operations of radio telescopes with air shower detectors”, EPJ Web of Confere
nces, 53, 08007(2013)
2. S. Ogio, “Future plans of Telescope Array experiment”, EPJ Web of Conferences, 53,
08020(2013)
3. M. Casolino, et al., “Calibration and testing of a prototype of the JEM-EUSO telescope

31

4.

on Telescope Array site”, EPJ Web of Conferences, 53, 09005(2013)
T. Tomida, et al., “Atmospheric monitor for Telescope Array experiment”, EPJ Web ofConferences, 53, 10003(2013)

国際会議講演
1. S. Ogio (oral): “The Telescope Array Low Energy Extension”, The 33rd International Cosmic
Ray Conference (ICRC2013) July 2-9, 2013, Rio de Janeiro, Brazil
2. S. Ogio (poster): “Three Experiments to Detect Microwave emission from Extensive Airshowers
through Molecular Bremsstrahlung Radiation”, The 33rd International Cosmic Ray Conference(ICRC2013) July 2-9, 2013, Rio de Janeiro, Brazil
3. K. Yamazaki (poster): “Ultra High Energy Photon and Neutrino Search with the Telescope Array
Fluorescence Detector”, The 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC2013) July 2-9,
2013, Rio de Janeiro, Brazil
4. K. Yamazaki (poster): “Calibration for the Telescope Array Fluorescence Detector using Portable
UV Laser System”, The 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC2013) July 2-9, 2013,
Rio de Janeiro, Brazil
5. K. Yamazaki (oral): “The status and recent results of the Telescope Array experiment”, The 12th
Asia Pacific Physics Conference, No. 1730, July 14-19, 2013, Chiba, Japan
6. S. Ogio (oral): “The Telescope Array Low Energy Extension (TALE)”, 14th ICATPP Conference
on Astroparticle, Particle, Space Physics and Detectors for Physics Applications, September
23-27, 2013, Como, Italia
学会・研究会講演1. 後藤昂司：「TALE実験用地表検出器のDAQエレクトロニクスの開発」, 第43回天文・天体物理若手夏の学校, 2013年7月29日〜8月1日
2. 荻尾彰一：招待講演「最高エネルギー宇宙線研究の最新結果レビュー」, 高エネルギーガ
ンマ線でみる極限宇宙2013, 2013年9月3, 4日, 東京大学柏キャンパス
3. 山﨑勝也：「TA実験229：大気蛍光望遠鏡による極高エネルギーガンマ線探索」, 日本物理学会, 2013年秋季大会, 高知大学
4. 後藤昂司：「TA実験234： TALE実験用地表検出器のためのDAQエレクトロニクスの開発」, 日本物理学会, 2013年秋季大会, 高知大学
5. 林嘉夫：「Ooty空気シャワー実験31： 新しいTDCおよび相対時刻校正の導入」, 日本物理学会, 2013年秋季大会, 高知大学
6. 荻尾彰一：招待講演「宇宙線観測における日本の貢献と将来」, 「CANGAROO の 20年」
記念研究会, 2013年10月12日, 東京大学柏キャンパス
7. 荻尾彰一：「空気シャワー電波的観測」, 空気シャワー電波観測ワークショップ2014, 2014
年1月11日, 甲南大学
8. 山﨑勝也：「TA実験239：大気蛍光望遠鏡による極高エネルギーガンマ線探索」, 日本物理学会, 第69回年次大会, 東海大学
9. 山本実加：「TA実験247：TALE実験のための地表検出器のシミュレーションによる検討と実機試験」, 日本物理学会, 第69回年次大会, 東海大学
10. 和知慎吾：「TA実験248：TALE実験用ミューオン検出器のシミュレーションによる検討と試作機試験」, 日本物理学会, 第69回年次大会, 東海大学
11. 小西翔吾：「TA実験249：TALE実験用SDアレイのための制御・データ収集エレクトロニ
クスの開発」, 日本物理学会, 第69回年次大会, 東海大学
12. 小島浩司：「フォルブシュ減少の剛度依存性」, 日本物理学会, 第69回年次大会, 東海大
学
その他

32

1.
2.
3.

林嘉夫・荻尾彰一：全国同時七夕講演会 2013年7月13日(大阪市立科学館)	
  実行委員荻尾彰一：「オープンキャンパス」 2013年8月10、11日 大阪市立大学にて体験授業
荻尾彰一：「市大理科セミナー」 2013年8月27日 大阪市立大学にて講義

学位論文
修士論文
1. 後藤昂司：「TALE実験用地表検出器のためのデータ通信エレクトロニクスの開発」
博士論文
なし

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.
5.

荻尾彰一：学術振興会・特別推進研究（分担）「最高エネルギー宇宙線で探る極高宇宙現象」1,320万円
荻尾彰一：学術振興会・基盤研究(B)（分担）「電波望遠鏡による最高エネルギー検出」
50万円
荻尾彰一：学術振興会・基盤研究(A)（分担）「極高エネルギー宇宙線用地表検出器の評
価と多機能化に関する研究」814万円
荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「大気分子制動放射マイクロ波の検出と検出器開発」40万円
小島浩司：名古屋大学太陽地球環境研究所共同利用研究費「日印両国に設置した超大型ミュオン望遠鏡による宇宙線強度の空間変動と惑星間空間におけるCMEの素過程の研究」38万円

海外出張および海外研修
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

山﨑勝也：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2013年4月26日〜
2013年5月20日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
山﨑勝也：米国ユタ大学(ユタ州ソルトレイクシティ)、2013年5月29日〜2013年6月3日、Telescope Array実験共同研究者会議に参加、講演
荻尾彰一、山﨑勝也：ブラジル・リオデジャネイロ、2013年6月30日〜7月11日、第33回
宇宙線国際会議に参加、講演
山﨑勝也：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2013年8月26日〜
2013年9月17日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測荻尾彰一：イタリア・コモ、2013年9月21日〜9月29日、第14回素粒子物理学のための先端技術国際会議（14th ICATPP）に参加、講演
山﨑勝也：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2013年11月20日〜2013年12月21日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測荻尾彰一：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2013年12月20日〜2014年1月7日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
林嘉夫：インドタタ基礎研究所（Ooty） 2013年8月8日～2013年8月27日、高密度空気シャワーアレイを用いた超高エネルギー宇宙線の研究に従事

その他
なし

33

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

清水 宏祐
若松 慶樹

(M1)
(M1)

片山 寿紀 (B4)竹崎 優斗 (B4)
手島 菜月 (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）
日米科学技術協力事業の一環として行われている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を用いた実験を，昨年度に引き続き遂行した．テバトロン加速器とCDF検出器は，CERNの大型ハドロン衝突型加速器LHCの本格運転開始に伴い，2011年9月末に28年間にわたった運転の終了を迎えた．運転期間を通してCDF検出器に届けられた陽子・反陽子ビームの積分ルミノシティは12fb−1に達し，データ収集効率を考慮すると最終的に解析に使用できる統計は10fb−1となっている．
CDFグループでは，データ取得終了後もこれらの蓄積されたデータの解析を続けている．今年
度の主な結果の一つとして，s-チャンネル単一トップクォーク生成事象を，史上初めて観測したことがあげられる．図1は対応するファインマンダイアグラムである．これは，大きな生成断面積

図 1: s-チャンネル単一トップクォー
ク生成に対応するファインマン図．

図 2: s-チャンネル単一トップクォー
ク生成事象選別のための多変量解析
結果．

をもつ強い相互作用による生成事象ではなく，弱い相互作用によるトップクォーク生成事象である．従って，素粒子物理学標準模型のテストとしては独立であり重要である．また，始状態に反クォークが必要であるため，陽子・反陽子衝突型のテバトロン加速器の方がヨーロッパのLHCよりも有利である．図2は予想される背景事象とデータの比較である．横軸は，信号（s-チャンネル
単一トップクォーク生成事象）と背景事象の区別のために導入された多変量解析の出力であり，抽象的な値であるが，大きな値の領域ほど信号と背景事象との区別が良いことを意味する．縦軸は事象数であり，予想される背景事象の内訳とともに，期待される信号の生成事象数も水色で示されている．背景事象の予想と比較してデータに事象数の超過があり，統計的優位性は6.3σであった．

34

トップクォーク質量の精密測定も重要な研究テーマであるが，テバトロンでの実験のみならず，LHCでの実験も統合した結果を得ている．図3に結果を示す．
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り，フェルミオンと相互作用しないフェルミオフォビ
ック・ヒッグス粒子を，光子を３つ含む
終状態を用いて探索する研究を引き続き行った．こちらも大きな進展があり，年度末の段階でほぼ解析を終了してCDF実験グループの内部審査に向けて準備を開始することができた．来年度には結果を公表することができる予定である．

図 3: テバトロンおよび LHC 加速器実験によるトップクォーク質量測定の結果．

2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本，若松）
2012 年度に引き続き，2013 年度も T2K ニュートリノ振動実験のデータ収集を継続する予定であったが，2013 年 5 月 23 日に J-PARC ハドロンホールにおいて放射性物質漏えい事故が発生し，その収拾と原因解明が行われ対応策がとられるまでの間，加速器の運転を当面休止することになった．したがって，加速器運転再開までの期間はデータ解析にほとんどの努力が充てられた．実験開始からの総統計量は 6.57×1020 POT（POT : protons on target, パイオン生成標的に照射された陽子の総数）に達した．
昨年度には，3.01×1020 POT の統計量のデータ解析によって，世界で初めてミューニュートリノ
からの振動による電子ニュートリノ出現現象（νμ → νe 振動）の証拠を観測したが，今年度はその倍以上にあたる 6.57×1020 POT のデータ解析を行った．統計の増加に伴い，スーパーカミオカンデ
で得られた電子ニュートリノ反応事象数は，4.6 ± 0.6 個の背景事象期待値に対して，実際に観測された事象は 28 個であった．背景事象の統計的揺らぎのみで 28 個以上の事象を観測する確率（p値）は 10−11 以下で，7.3σ の統計的有意性に対応する．このことから，T2K 実験では電子ニュート
リノ出現現象により νμ → νe 振動の存在（θ13 ≠ 0）を発見したことを発表した．スーパーカミオカン
デで観測された電子ニュートリノ反応事象からの生成電子の運動量と角度の分布（質量順階層の場合）は図 4 のようになり，νμ → νe 振動が存在する場合とよく合っている．現在の世界平均値
sin2 2θ23 = 0.5、|∆m232 | = 2.4 × 10−3eV 2 および δCP = 0 を仮定した場合，振動パラメータのフィ+0.0452ットの最良値は質量順階層でsin2 2θ13 = 0.140+0.038−0.032 ，質量逆階層で sin 2θ13 = 0.170−0.037 が得
図 4: 電子ニュートリノ反応事象からの生成電子の運動量と角度の分布．質
量順階層の場合を示す．2 次元分布における白丸，および運動量または角度への射影分布における誤差棒付きの黒丸はデータを表し，ヒストグラム（2次元および 1 次元）は振動パラメータのフィットの最良値において予想される電子ニュートリノ出現事象の分
布を表す．

35

(a)

図 5: 実験結果から得られた sin22θ13と δCP の許容範囲。(a) は質量順階層，(b) は質量逆階層の場合を表す．青い
実線および点線に挟まれた領域は，それぞれ信頼水準 68%と 90%の領域を表す．黄色の帯は，原子炉からの反ニュートリノ欠損現象の測定から得られた sin22θ13 の範囲を示す。

(b)

られた．δCP 全域おけるフィットの結果を図 5 に示す．黒い実線が中心値で，青い実線に挟まれた領域が信頼水準 68%，青い点線に挟まれた領域が信頼水準 90%での許容範囲である．黄色の領域
は，原子炉からの反電子ニュートリノ欠損現象を用いた実験（Daya Bay，RENO，Double Chooz）
によって測定された sin22θ13 の範囲を示す．電子ニュートリノ出現現象を用いた場合と，反電子ニュートリノ欠損現象を用いた場合で許容範囲の形状が異なるのは，νμ → νe 振動確率が sin δCP に依存するのに対し，νe 生存確率が δCP に依らないことに起因する．これらの結果を合わせると，δCPが π/2 付近である確率は小さそうである．
ミューニュートリノ欠損現象による
νμ → ντ 振動の測定についても，統計の(a)増加により精度が大きく向上した．ニュートリノ振動が無かった場合には 446 ±23 事象が予測されるのに対し，実際に観測された数は 120 事象であった．振動が最大になるところにニュートリノビ
ー ム の エ ネ ル ギ ー ピーク を 合 わ せ た
Off-axis 法により，振動パラメータのフィットを非常に精度よく行うことに成(b)功している．フィットの最良値は，質量順階層の場合にsin2 θ23 = 0.514+0.055−0.056 ，2−3
2∆m32 = (2.51 ± 0.10) × 10 eV ， 質 量
逆 階 層 の 場 合 に sin2 θ23 = 0.511 ±2= (2.48 ± 0.10) × 10−3eV 2
0.055，∆m13が得られた。また，sin2 2θ23 と Δm2322）（質量逆階層の場合はsin2 2θ23 と∆m13に対する許容範囲を他の実験結果とともに図 6 に示す．黒線（または赤線）で囲まれた領域が T2K 実験の結果である．
図 6: 実験結果から得られた sin2θ23 と現時点で θ23 測定の世界最高精度を達成
Δm232（質量逆階層は Δm213）の許容範
した．
囲．(a) は質量順階層，(b) は質量逆階
今後は δCP の直接測定を目指して，反層の場合を表す．実線および点線で囲
ニュートリノビームのデータも相当量
まれた領域がそれぞれ信頼水準 68%，
取得する計画である．
90%の領域を表す。

36

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，清水，片山，竹崎，手島）
荷電レプトンフレーバー非保存過程とは，例えばミュー粒子が，崩壊ではなく直接的に電子に転換するような過程であるが，素粒子標準模型においては禁止されている．一方，標準模型を超える，より基本的な法則においては，そのような非保存過程が存在しているとする数多くの模型がある．低エネルギーにおいてその効果は極めて小さく，従って稀少過程となるが，加速器技術の発展により大強度の加速器ビームが実用化されてきており，実際，J-PARC（大強度陽子加速器施設）において加速器増強が行われているため，飛躍的な探索感度の向上が期待されている．
我々は，原子に捕獲されたミュー粒子が電子に転換する，ミュー粒子・電子転換過程探索実験の 1 つである DeeMe 実験に参加し，今年度から活動を本格化した．ミュー粒子は，J-PARC の RCS加速器から陽子を取出し，MLF（物質・生命科学実験施設）において標的に照射することにより生成する．原子に捕獲されたミュー粒子が電子に転換する過程は遅延して起こるため，加速器によるミュー粒子生成のタイミングから数マイクロ秒後に現れると考えられる電子が信号となる．1
MW に増強される予定である RCS 加速器により，順調に進めば数年後に実験を開始し，1～2 年でこれまでの 10 倍以上の感度向上を実現する予定である．
この実験の最大の特徴は，ミュー粒子生成標的をそのまま捕獲標的として利用することにある．
これにより，必要なビームライン建設が大幅に簡素化される一方，ミュー粒子を大量に生成する
際に同時に生成される莫大な背景荷電粒子（プロンプトバースト）が検出器に大きな負担を与えることになる．この問題をどのように解決するかが検出器開発の焦点の一つになっている．
今年度は，電子を検出する飛跡検出器の研究・開発，加速器内に存在し，背景事象の一つとして重要な，タイミングがずれた陽子（アフタープロトン）の見積もり等を行った．また，半導体光検出器である MPPC を読み出しに用いたシンチレーティングファイバー飛跡検出器の可能性を探るための基礎的な調査・研究を 4 回生に行ってもらった．

教育・研究業績
学術論文
1. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Searchfor Bs0→μ+μ- and B0→μ+μ- decays with the full CDF Run II data set”, Physical Review D 87, 072003(2013).
2. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the top quark forward-backward production asymmetry and its dependence on event
kinematic properties”, Physical Review D 87, 092002 (2013).
3. K. Abe, T. Nakai, K. Nakajima, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurement of the inclusive νμ charged current cross section on carbon in the near detector of theT2K experiment”, Physical Review D 87, 092003 (2013).
4. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration) : “W-boson polarization measurement in the 𝑡𝑡̅ dilepton channel using the CDF
II detector”, Physics Letters B 722, 48-54 (2013).
5. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for Supersymmetry with Like-Sign Lepton-Tau Events at CDF”, Physical Review Letters 110, 201802(2013).
6. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of R=B(t→Wb)/B(t→Wq) in top-quark-pair decays using lepton+jets events and thefull CDF run II dataset”, Physical Review D 87, 111101(R) (2013).
7. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Top-quark mass measurement in events with jets and missing transverse energy using the full CDF
data set”, Physical Review D 88, 011101(R) (2013).

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T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for Pair Production of Strongly Interacting Particles Decaying to Pairs of Jets in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠= 1.96 TeV”, Physical Review Letters 111, 031802 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the Cross Section for Direct-Photon Production in Association with a Heavy Quarkin 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review Letters 111, 042003 (2013).
K. Abe, T. Nakai, K. Nakajima, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Evidence of electron neutrino appearance in a muon neutrino beam”, Physical Review D 88, 032002(2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Exclusionof exotic top-like quarks with -4/3 electric charge using jet-charge tagging in single-lepton 𝑡𝑡̅ events
at CDF”, Physical Review D 88, 032003 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Signature-based search for delayed photons in exclusive photon plus missing transverse energy
events from 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review D 88, 031103(R) (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Searches
for the Higgs boson decaying to 𝑊 + 𝑊 − → ℓ+ 𝜈ℓ− 𝜈̅ with the CDF II detector”, Physical Review D
88, 052012 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Combination of searches for the Higgs boson using the full CDF data set”, Physical Review D 88,
052013 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration, D0
Collaboration) : “Higgs boson studies at the Tevatron”, Physical Review D 88, 052014 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration, D0
Collaboration) : “Combination of CDF and D0 W-Boson mass measurements”, Physical Review D 88,
052018 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Evidence
for a bottom baryon resonance Λb*0 in CDF data”, Physical Review D 88, 071101(R) (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Indirect
measurement of sin2θW (MW) using e+e- pairs in the Z-boson region with 𝑝𝑝̅ collisions at a
center-of-momentum energy of 1.96 TeV”, Physical Review D 88, 072002 (2013).
See also Phys. Rev. D 88, 079905(E) (2013). [Erratum]
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the leptonic asymmetry in 𝑡𝑡̅ events produced in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96
TeV”, Physical Review D 88, 072003 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the Differential Cross Section dσ/d(cos θt) for Top-Quark Pair Production in 𝑝𝑝̅
collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review Letters 111, 182002 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the top-quark pair-production cross section in events with two leptons andbottom-quark jets using the full CDF data set”, Physical Review D 88, 091103(R) (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for the production of ZW and ZZ boson pairs decaying into charged leptons and jets in 𝑝𝑝̅ collisionsat √𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review D 88, 092002 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Direct
Measurement of the Total Decay Width of the Top Quark”, Physical Review Letters 111, 202001(2013).
K. Abe, T. Nakai, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) : “Measurement of
Neutrino Oscillation Parameters from Muon Neutrino Disappearance with an Off-Axis Beam”,
Physical Review Letters 111, 211803 (2013).
T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for a dijet resonance in events with jets and missing transverse energy in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96
TeV”, Physical Review D 88, 092004 (2013).

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26. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Production of KS0, K*±(892) and ϕ0(1020) in minimum bias events and KS0 and Λ0 in jets in 𝑝𝑝̅
collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review D 88, 092005 (2013).
27. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :� 0 Mixing Using the CDF II Detector”, Physical Review Letters 111, 231802“Observation of 𝐷 0 -𝐷
(2013).
28. K. Abe, T. Nakai, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) : “Observationof Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam”, Physical Review Letters 112,061802 (2014).
29. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “First
Search for Exotic Z Boson Decays into Photons and Neutral Pions in Hadron Collisions”,
Physical Review Letters 112, 111803 (2014).

学会・研究会講演
1. 清水 宏祐，若松 慶樹：「Monte Carlo studies on fake-photon rates」（ポスター発表），高エ
ネルギー物理 春の学校２０１３，2013 年 5 月 30 日～6 月 1 日，琵琶湖リゾートクラブ
2. 清水 宏祐：
「DeeMe 実験のための J-PARC RCS パルス陽子ビームのアフタープロトン測定」，
日本物理学会 2013 年秋季大会，2013 年 9 月 25 日～28 日，徳島大学
3. 清水 宏祐：「μ-e 転換探索実験 DeeMe のグラファイト標的及び SiC 標的に対する単一事象感度の比較」，日本物理学会第 69 回年次大会，2014 年 3 月 27 日～30 日，東海大学
4. 若松 慶樹：「T2K 実験前置検出器 INGRID を用いた sub GeV 領域におけるニュートリノと鉄の反応断面積測定に向けた研究」，2014 年 3 月 27 日～30 日，東海大学

その他【教室談話会など】
1. 山本 和弘：「ニュートリノ実験の現状と将来」，素粒子理論・実験合同セミナー，2013
年7月10日，大阪市立大学
2. 山本 和弘：「ミュー型ニュートリノから電子型ニュートリノへの振動現象の発見」，平
成25年度第1回学長記者懇談会，2013年10月2日，大阪市立大学【国際共同研究グループ内口頭発表（英語）】
1. 清矢 良浩：CDF Top BSM Group：2013年8月8日，8月15日，10月25日，11月8日，11月22日，12月13日，2014年1月10日，2月21日，3月7日
2. 清矢 良浩：CDF Collaboration Meeting：2013年1月17日
3. 山本 和弘：CDF Top BSM Group：2013年5月2日，6月20日，8月29日，9月19日

学位論文
卒業論文
1. 片山 寿紀，竹崎 優斗，手島 菜月：「MPPC によるシンチレーションファイバーの読み出し」

研究助成金取得状況
1.

山本 和弘：基盤研究(C) 「ダイヤモンドを用いた大強度ニュートリノ実験ミューオンプロファ
イルモニターの実用化」直接経費：130万円，間接経費：39万円

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その他
高大連携・地域貢献
1. 清矢 良浩：大手前高等学校，SSH「サイエンス探究発表会」 講評，2013年7月13日
2. 山本 和弘：大阪サイエンスディ 講評，2013年10月26日，天王寺高校

40

重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)
端山 和大 (特任助教)
横澤 孝章 (博士研究員)

山本 尚弘 (D1)
田中 一幸 (M2)浅野 光洋 (M1)有馬 司 (B4)

譲原 浩貴 (D1)
鳥谷 仁人 (M1)
神谷 慶 (B4)

研究概要
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片腕の基線長 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。KAGRA は、2010 年度に「最先端研究基盤事業」補助対象に選ばれ、装置（機器）に関わる予算措置を受けて建設を開始し、2014 年春にトンネル掘削終了、2015 年末に iKAGRA と呼称する常温でのテスト観測を予定している。低温化を施した高感度の設定では、
2017 年から 2018 年に本格的な観測運転に入る予定である。
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」
2013 年度は、表題の科研費新学術領域（略称「重力波天体」）の計画２年目であった。同研究では、KAGRA を始めとする重力波検出器と、相補的な観測となる X 線、γ線、光学、電波、ニュートリノらの観測グループと協力して研究を進めている。当研究室は、「重力波のデータ解析」計画
研究と、総括班事務局を担っている。
本研究室が関わる 2013 年度の特筆すべき成果としては、KAGRA の短時間データ解析についてのソフトウエア開発が進んだこと、重力波とニュートリノの時系列比較による超新星爆発ダイナ
ミクスの解明の研究がすすんがこと（後述）等があげられる。
また、2013 年度より、２名の研究員（特任助教×１、博士研究員×１）を雇用し、これらの研究を推進している。
以下に、２０１３年度の各研究トピックスを説明する。

iKAGRA データ取得・保管システム（神田、山本）
KAGRA は最初の常温テスト運転（iKAGRA と称す）を2015 年 12 月に予定している。このため、データ取得・保管系も早急に準備しなければならない。2013 年度は、iKAGRA 図 1: iKAGRA データ取得・保管シ
データ取得・保管システムの仕様策定、入札（東大にて）、 ステム
設置ならびに、性能試験を行った。図 1 は、設置された機器の概観である。
KAGRA のデータ量は、約 20 MB/s であり、１ヶ月の運転で約 50 TB のデータとなる。このため、システムには大きく３つの要請がある。1) 20 MB/s 以上のデータ転送を休
み無く連続で行うこと、2) iKAGRA 観測データの保管容量を持つこと 3) 神岡現地にオンサイトスタディとネットワー
クトラブルに備えて十分な中間容量を持つこと。これらに加えて、冗長性とデータ較正や評価のための計算能力を有
図 2: KAGRA のデータ系機器接続図
すること、将来の KAGRA 連続運転に対応できる拡張性を
SINET

IFO, DSG frontend

Environmental Monitor(EPICS layer)

data concentrator
hostname

VPN
gwave_kamioka

low latency
hostname

IP address

VPN
gwave_kashiwa

IP address

IP address

ICRR interoperable
computer system

IP address

HUB
10G

data transfer
aldebaran

frame writer
k1fw0

frame writer
k1fw1

IP address

IP address

primary data server
k1dm0 / hyades-0

login / job man.
taurus-01

login / job man.
taurus-02

IP address

IP address

IP address

primary data server
k1dm0 / hyades-0

20TB

IP address

HUB
10G / 1G

calculation
pleiades-01

calculation
pleiades-02

calculation
pleiades-03

calculation
pleiades-04

IP address

IP address

IP address

IP address

disk arraylogin server
perseus-02

IP address

IP address

IP address

Infiniband
SW

20TB

IP address

MDS/OSS
algol-01

NDS
hostname

HUB
10G

IP address

DetCharhostname

HUB
10G / 1Glogin server
perseus-01

Infiniband
SW

Dedicated optical fiber
4.5 km, tunnel <-> surface build.

IP address

Infiniband
SW

MDT/OST

HUB
1G

disk array

IP address

monitor hosts
in control room

MDS
crab-mds-01

MDS
crab-mds-02

OSS
crab-oss-01

OSS
crab-oss-02

IP address

IP address

IP address

IP address

MDT

OST

OST

disk arraydisk arraydisk array

iKAGRA data system overview
Drawn by N.Kanda
last update : 2014/8/19

41

有すことが要請された。このため、200TiB の lustre ファイルシステム、高速ネットワーク (10G,Inﬁniband) などを導入した。
設置後のデータ転送試験では、KAGRA トンネル内外の転送ではファイル I/O 込みで 150 MB/s
(データのみで 1 GB/s)、神岡ー柏間でも 50 MB/s を達成し、要求値を満たすことが確認された。

重力波源方向の決定（神田）Pixel size = 1deg. x 1 deg.

重力波の入射方向推定は、複数台の検出器の時間差（位相差）
を解いて決定される。地上検出器の対象とする重力波の波長は、検出器の間隔 ( 数千 km) に比してあまり短くない (数十〜数百km) ため、方向決定精度は光学や X 線観測に比してよくない。そPixel size = 4deg. x 4 deg.
れでも、重力波が短時間に早期に方向を決めることは、相補的な観測にとって重要である。
図 3 は、シミュレーションで生成した中性子星連星波形に対するマッチドフィルター出力（KAGRA ならびに米国 LIGO、欧州
Pixel size = 10deg. x 10 deg.
Virgo 検出器の位置を仮定してある）と、それを元に天球上の各点からの時間差を仮定して出力和を計算し、天球にマップしたものである。昨年度までの研究から、検出器のアンテナ応答やマッ
チドフィルター処理を導入して、より実際の観測データの場合に 図 3: シミュレーションによる近い処理を行った。
重力波入射方向推定マップ

重力波望遠鏡 KAGRA の診断システムの構築（端山、浅野、神田、山本、譲原、横澤）
KAGRA 重力波望遠鏡の診断システムの構築を行っている。KAGRA は 10−20 m/Hz 1/2 のひずみをとらえるために、高性能防振システム、3km の Fabri-Perot マイケルソン干渉計を基礎とした複雑な光学系であり、さらにミラーの熱雑音を下げるための鏡の低温化、地下環境での設置といった従来の重力波望遠鏡にはない特徴を備えている巨大望遠鏡である。望遠鏡のデザイン感度を達するためには、望遠鏡の不具合や雑音源を徹底的に除去していくことが重要になってくる。本
研究では不具合箇所の特定や観測データの質の評価を行うシステムであると同時に、将来の安定な観測運転に向けた観測システムや質の高いサ イエンスを行うためのシステムの構築を行っている。本年度は望遠鏡の主重力波源である連星合体、中間質量ブラックホール連星、リングダウン、
背景重力波などへの感度をリアルタイムで評価するモニタや、望遠鏡を構成する装置の制御信号
チャンネルデータを用いて観測データのガウス性を評価する Rayleigh モニタ、バースト性非定常雑音を検出するモニタ、さらにチャンネル間の相関をとることによって、アップコンバージョンノ
イズ源を特定することに使われる相関モニタを開発した。そしてそれらを GUI インターフェース
で統合した診断システム環境を構築した。

超新星爆発からの重力波・ニュートリノのコインシデンス解析（横澤、浅野、神田）
超新星爆発のメカニズム解明に向けて、コア内部の情報を直接運んでくる重力波・ニュートリノの直接観測はとても重要である。そこで、KAGRA・EGADS 検出器シミュレー
ションを通じてコアの回転の有無に関して評価した。図 4に重力波振幅・ニュートリノルミノシティを同時に追っている数値シミュレーションを示す。実際の検出器信号から重力波の放出開始時間と中性子化バースト時間の導出方法 図 4: コアが回転している/していなを考案し、観測シミュレーションからコアの回転に関していモデルに対する重力波とニュート
定量的に評価した。結果、コアが回転していないモデルにリノ

42

対してほぼ 100% コアが回転していないと判断でき、コアが回転しているモデルに対しては約 90%
コアが回転していると判断できることを示した。

時系列信号較正の重力波源パラメータ決定への影響の見積もり（山本、神田）
干渉計型重力波検出器は重力波を電圧信号として捉える検出器である。重力波探索を行うにあたり電圧信号は信号較正を経て元の重力波信号に再構成されるが、TAMA を始め、これまでの信号較正処理は周波数領域で行われる事が主流であった。
しかし、この信号較正では時系列信号の不連続性がしばしば問題となりうる。長時間の観測データを扱う上で、検出器較正信号が時系列で連続的に得られることは非常に有用であり、信号の不連続問題を解決する目的で、時間領域に置ける信号較正に取り組んだ。
この信号較正法を評価するため、連星合体イベントの探索に用いるマッチドフィルター解析にどの程度の影響を与えるのかを見積もりを行った。図 5 はマッチドフィルター出 図 5: 信号較正によるマッチドフィル
力 (信号雑音比に線形) の較正による揺らぎを表しており、 タ出力の揺らぎ
時系列較正により 8%のバイアス、26%の揺らぎが生じるという結果を得た。

宇宙ひも起源重力波の時系列信号生成シミュレーション (譲原, 神田)
宇宙ひもは初期宇宙の相転移の際にできた位相欠陥で、バースト的な重力波を放出することが理論的に予想されている. 宇宙ひもからの重力波の振幅と放出頻度はひもの長さと線密度によって異なり, 振幅が大きく到来頻度が稀であればバースト的に観測され, 振幅が小さく高頻度で到来す
れば背景重力波として観測されることが期待される. 現在,
宇宙ひもからの重力波信号の解析は周波数ドメインでの解析が主である. そこで時系列ドメインでの新しい解析方法を提案するため, 今回のシミュレーションを行った.
シミュレーションでは, 多数の宇宙ひもを宇宙に分布させ, 重力波の放出頻度を踏まえて, それらから放出された重力波の重ね合わせによって生じる重力波の時系列信号を数値的に生成した. このシミュレーションでは, 宇宙ひもから重力波が放出される際の beaming による高周波カットオフ,
到来方向に依存した検出器のアンテナパターン, 検出器の感度帯域による低周波カットオフを導入した. 図 6 に生成した重力波信号を示す. 生成した信号にはバースト的に変化する振幅の大きい重力波と振幅が小さいが高頻度で到来する背景重力波どちらも含まれていることを確認した.
図 6: いくつかのパラーメーターのもとで生成した重力波信号の一例

43

GPGPU を用いた重力波ラジオメトリシミュレーション（田中、神田）
重力波ラジオメトリは、複数台の検出器からもたらされるデータを用いた相関解析の一種である 。対象となるのはパルサーや銀河団などからの連続的重力波である。この解析の優れた点としては全天を一度に探査可能な点、また波源の方向決定が可能な点などが挙げられる。
しかし重力波ラジオメ
トリのシミュレーションでは 、長 時 間 分 の デ ー タ を用 意 し 処 理 す る た め 、非常 に冗長な計算が必要であ る 。故 に そ の 計 算 の 高速化を図るため、本研究では GPGPU(General Pourpose computing on Graphics Processing Units; 画像
図 7: 左図:LIGO-Livingstone と LIGO-Hanford の組み合わせで 3 年
処理演算装置による汎目的計算) の重 力波ラジオメト 分のシミュレーションを行った結果。右図:重力波信号入射位置周り
リシミュレーションへの適 を拡大した図。
用を行った。結果が従来の場合と無矛盾であることを確認し、また同時に約 100 倍の計算速度の向上を達成した。図 7 は行ったシミュレーション結果の一例である。
20

90

信号雑音比

信号雑音比

18
16

40

14

赤
12
緯

赤 0
緯

10

-40

8

-90
360

6

300

200
赤経

100

0

194

192

190

188
186
赤経

184

182

180

2014年8月22日金曜日

超新星バースト重力波探査:Excess power filter の時間幅の最適化（浅野、横澤、神田）
地上で検出可能な重力波源の１つとして超新星爆発からの重力波が考えられている。バースト重力波は正確な波形予想が難しい
ため、波形に依存しない解析法が必要である。本研究では Excess
power ﬁlter という解析手法を用いた。この手法は、時間-周波数帯に含まれる信号のパワーを評価する手法であり、パラメータとして時間幅、周波数帯、検出のしきい値があげられる。そこで、
図 8: 予想重力波形の１つ
時間幅の最適化を行うことで検出効率をあげる事ができると考えられる。
図 8 は H.Dimmelmeier の超新星爆発からの重力波の理論予想の 1 つであり、10kpc で超新星爆発が起き、地上検出器の天頂方向から到来したときの重力波の波形のモデルである。
本研究では、様々な重力波形に対して最適な時間幅を探索し地上重力波検出器 KAGRA における検出効率を求めた。 そして、
図 9: パワーの時間幅依存性
時間幅の最適化により検出効率がどれくらい向上するか見積もった。図 9 は一例として、図 8 の波形における信号のパワーの時間幅依存性である。これより、最適な時間幅で検出効率と信号誤認率を求めたものが図 10 で、これは ROC 曲線と呼ばれる。結果の一例として、図 8 の波形において、最適化した時間幅 (12ms) では最適化しない場合 (50ms) に比べて検出効率は約 5% 向上した。
図 10: ROC 曲線

44

連続重力波探索に向けた KAGRA 信号取得におけるホワイトニングフィルタと ADC の最適化（鳥谷、神田）
干渉計の電圧信号取得系では、干渉計から入った入力電圧がホワ
イトニングフィルタ回路を通り ADC(Analog to Digital Conveter)
で標本化、量子化されデジタル化された数値として信号が取得される。ホワイトニングとは、フィルタ回路を用いて周波数スペク
トルをフラットにすることを指すが、適切なホワイトニングを行わない場合、ADC のダイナミックレンジが有限な為、量子化後 図 11: 完全なホワイトニングのスペクトルは量子化前スペクトルを再現出来ないことがある。 を行った場合
また、一般に ADC において AD 変換により量子化誤差が生じる。
重力波信号は量子化誤差よりも小さい可能性がある為、ADC の量子化誤差の影響が無視できない可能性がある。B. Allen and P.
Brady (1997) によって、重力波探査における量子化誤差によって生じる SNR の損失を最小にするために必要な、ホワイトニング
フィルタと ADC のパラメータを最適化する３つの条件式が挙げられている。
図 12: ±20[dB] 程度ずれるホ
そこで、本研究では KAGRA の信号取得系を仮定しホワイトニ
ングされたスペクトルを用いて３つの条件に当てはめることで、 ワイトニングを行った場合
重力波探索における ADC 量子化誤差の影響を評価した。図 11 は
KAGRA ノイズスペクトルのフロアに対し完全なホワイトニングを行った場合のスペクトルで、図 12 や図 13 は完全なホワイトニ
ングから ±20[dB] 程度ずれるホワイトニングを行った場合のスペクトルである。KAGRA 信号取得系において図 12 や図 13 のような完全なホワイトニングから ±20[dB] 程度ずれたホワイトニングの場合においても、３つの条件を満たすことが出来ることを確認
図 13: ±20[dB] 程度ずれるホした。
ワイトニングを行った場合 2

Pop III 起源の連星合体重力波の KAGRA における検出可能性について（神谷）連星合体重力波の検出効率は、質量、赤方偏移などのパラメー count[個・yr ]タに依存する。これについて解析的な式とシミュレーションによって計算、確認した。KAGRA や LIGO などの地上の重力波検出器の場合は、地面振動や各種雑音のために、最高感度が 100Hz 前後に設計されている。これは実は、20-30 太陽質量程度の連星合体の検出にとって有利である。このような連星として、Population
III（Pop III, 第１世代星）の可能性がある。POP-III はビッグバン後に形成された、金属量が非常に小さい恒星である。宇宙の若い時代に形成されたので、すなわち非常に遠方にあると考えられている。また金属量が少ないために、現在の宇宙で形成される星 図 14: PopIII 連星合体の 1 年とは進化の様子が異なり、寿命は短いと考えられる。大質量で形 間観測予想
成され、その最終局面はガンマ線バーストの起源ではないかという推測もある。Pop III が連星を形成すれば、有力な重力波源となりえる。
本研究では、M.Domink et al. (2013, arXiv:1308.1546v3) での重たいブラックホール連星の形
成率を用いて、KAGRA における検出予想を行った。図 14 はシミュレーションによる 1 年間観測での予想を、波源の宇宙論的赤方変位 (z) の関数として、異なる星の質量について予想数を求めたものである。全体での検出数の期待値は、年間 108 ± 10 個と求められた。
-1

35

10 - 1020 - 2030 - 30

30

25

20

15

10

5

0

45

0
0

0.05

0.1
0.1

0.15

0.2
0.2

0.25

0.3
0.3

0.35

0.4
0.4

0.45

教育・研究業績
学術論文
1. K Hayama and A. Nishizawa, “Model-independent test of gravity with a network of groundbased gravitational-wave detectors”, Phys. Rev. D, (査読有), 87, 2013, 062003-1, 06200311, 10.1103/PhysRevD.87.062003
2. A. Nishizawa, K. Hayama, “Probing for massive stochastic gravitational-wave backgroundwith a detector network”, Phys. Rev. D, (査読有), 88, 2013, 064005-1, 064005-13,
10.1103/PhysRevD.88.064005
3. Adrian-Martinez, S. etal (including K. Hayama), “A ﬁrst search for coincident gravitational waves and high energy neutrinos using LIGO, Virgo and ANTARES data from2007”, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, (査読有), 6, 2013, 008-1,008-19,
10.1088/1475-7516/2013/06/008
4. Aasi, J. et al.(including K. Hayama), “Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational
wave detector by using squeezed states of light”, Nature Photonics, (査読有), 7, 2013,613-619, 10.1038/nphoton.2013.177
5. Aasi, J. et al.(including K. Hayama), “Parameter estimation for compact binary coalescence signals with the ﬁrst generation gravitational-wave detector network”, Phys. Rev.
D, (査読有), 88, 2013, 062001-1,062001-23, 10.1103/PhysRevD.88.062001
6. Aasi, J. et al.(including K. Hayama), “Directed search for continuous gravitational waves
from the Galactic center”, Phys. Rev. D, (査読有), 88, 2013, 102002-1,102002-12, 10.1103/PhysRevD.88.102002
7. Aasi, J. et al.(including K. Hayama), “Search for long-lived gravitational-wave transients
coincident with long gamma-ray bursts”, Phys. Rev. D, (査読有), 88, 2013, 18,37,
10.1103/PhysRevD.88.122004
8. Aasi, J. et al.(including K. Hayama), “First Searches for Optical Counterparts to Gravitationalwave Candidate Events”, ApJ Suppl, (査読有), 211, 2014, 7,30, 10.1088/0067-0049/211/1/7

国際会議会収録（査読付き）
1. Hirotaka Yuzurihara, Nobuyuki Kanda, “Detectability and parameter estimation of gravitational waves from cosmic string with ground-based detectors”, JPS Conference proceedings, (査読有), JPSCP.1.013117, 2014, 013117 (4 pages), 10.7566/JPSCP.1.013117
2. T.Yakamoto, N. Kanda, CLIO Collaboration and KAGRA Collaboration, “Calibration
and reconstruction in time-series of strain of gravitational wave detector”, Proceedingsof the 12th Asia Paciﬁc Physics Conference, (査読有), JPSCP.1.013119, 2014, 013119-1,
013119-4, 10.7566/JPSCP.1.013119

学会・研究会講演
1. 神田展行 ほか９名、KAGRA collaboration, “iKAGRA データ転送・保管システムの開発
I（設計）”, 日本物理学会 第 69 回年次大会, 2014/3/27, 東海大学
2. 神田展行，KAGRA collaboration, “天球マップのマスク処理をもちいた重力波源方向の推定：精度と高速化”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学
3. Nobuyuki Kanda, KAGRA collaboration, “KAGRA data transfer, distribution and low
latency searches for GW”, 4th Korea-Japan Workshop on KAGRA, 2013/6/11, 大阪大学

46

4. Nobuyuki Kanda, KAGRA collaboration, “Status of KAGRA and for the Detection ofGravitational Waves from SNe”, YIPQS long-term workshop Supernovae and GammaRay Bursts in Kyoto, 2013 , 2013/10/30, 京都大学, （招待講演）
5. T.Nakamura, N.Kawai, M.Yoshida, M.Vagins, N.Kanda* and T.Tanaka (*speaker) on behalf of the grant project, “KAGRA and EM/neutrino follow-ups program in Japan”, Gravitational Wave and Astronomy Workshop 2013, 2013/12/18, IUCAA, Pune, India
6. 神田展行, KAGRA collaboration, “KAGRA 計画の現状と重力波検出の展望”, 中性子星核物質研究会, 2013/12/27, 理化学研究所, （招待講演）
7. Nobuyuki Kanda, on behalf of A04 subproject group, “Status of A04 subproject”, ”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」第２回シンポジウム”,
2014/1/13, 東京工業大学
8. Nobuyuki Kanda, “A04 overview and KAGRA data”, 新学術領域研究隔月研究会, 2013/10/19,
大阪市立大学9. 浅野光洋、横澤孝章、神田展行、KAGRA Collaboration, “KAGRA における超新星爆発からの重力波の検出可能性について”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学
10. 浅野光洋、横澤孝章、神田展行, “超新星バースト重力波探査：Excess power ﬁlter における時間幅の最適化”, 日本物理学会 第 69 回年次大会, 2014/3/27, 東海大学
11. Mitsuhiro Asano,Takaaki Yokozawa,Nobuyuki Kanda,KAGRA Collaboration, “Detection
eﬃciency for gravitational waves from core-collapse supernovae with KAGRA detector”,
YIPQS long-term workshop Supernovae and Gamma-Ray Bursts in Kyoto, 2013 ,2013/10/28, 京都大学
12. M.Asano,T.Yokozawa,N.Kanda, “Core-collapse SNe burst GW in KAGRA : study of thedetection and the timing-based analysis”, Gravitational Wave and Astronomy Workshop
2013, 2013/12/18, IUCAA, Pune, India
13. Hirotaka Yuzurihara, Nobuyuki Kanda, “Cosmic String GW : time domain numericalsimulation for both burst and stochastic behaviors”, Gravitational Wave and Astronomy
Workshop 2013, 2013/12/18, IUCAA, Pune, India
14. Hirotaka Yuzurihara, Nobuyuki Kanda, “Detectability and parameter estimation of gravitational waves from cosmic string with ground-based detectors”, Asia Paciﬁc Physics
Conference 12, 2013/7/17, 千葉幕張メッセ
15. Hirotaka Yuzurihara, Nobuyuki Kanda, “Study of detection and parameter estimation ofgravitational wave from cosmic string with ground-based detectors”, Yukawa International
Seminar 2013, 2013/6/3, 京都大学
16. 譲原浩貴, 神田展行, “宇宙ひも起源重力波の地上観測における検出可能性 -バースト重力波と背景重力波-”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学
17. 譲原浩貴, 神田展行, “宇宙ひも起源重力波の時系列信号生成と地上検出器での検出可能性”,
日本物理学会第 69 回年次大会, 2013/3/27, 東海大学
18. 譲原浩貴, “重力波探索の最前線と宇宙ひも起源重力波の検出可能性”, 宇宙高エネルギー大講座 談話会, 2013/6/26, 大阪市立大学
19. Hirotaka Yuzurihara, “Time domain numerical simulation of gravitational waves from cosmic strings — Burst and stochastic behavior —”, , 2013/12/30, Seoul National University
20. Hirotaka Yuzurihara, “Time domain numerical simulation of gravitational waves fromcosmic strings”, 新学術領域 A04/05 班合同合宿, 2014/2/23, 城崎
21. 横澤 孝章、他７名, “重力崩壊型超新星爆発からの重力波・ニュートリノのコインシデンス
観測に関する研究”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学

47

22. Takaaki Yokozawa、7 people, “Supernova simulations with KAGRA and EGADS detector”, A04 bi-month workshop, 2013/10/19, 大阪市立大学
23. Takaaki Yokozawa、7 people, “The coincidence analysis of gravitational waves and neutrinos from core-collapse supernova”, SNe and GRB in Kyoto, 2013/10/28, 京都大学
24. Takaaki Yokozawa、7 people, “Supernova detection study using consistent model for both
GW and Neutrino”, GWPAW2013, 2013/12/17, IUCAA
25. Takaaki Yokozawa、7 people, “Supernova detection study using consistent model with
KAGRA and EGADS detector”, 2nd Annual Symposium, 2014/1/13, 東京工業大学
26. 横澤 孝章、他７名, “重力崩壊型超新星爆発からの重力波・ニュートリノの時間発展を再現した検出器シミュレーション”, 日本物理学会第 69 回年次大会, 2014/3/27, 東海大学
27. Takaaki Yokozawa、7 people, “Supernova detection study using consistent model with
KAGRA and EGADS detector”, 新学術領域 A04/05 班合同合宿, 2014/2/23, 城崎
28. 山本尚弘, 神田展行, CLIO Collaboration, KAGRA Collaboration, “KAGRA における時系
列データ解析に向けた検出器信号較正”, 日本物理学会 第 69 回年次大会, 2014/3/27, 東海
大学
29. Takahiro Yamamoto, “Reconstruction of strain signal in time domain toward KAGRA
observation”, 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」A04/05
Joint Camp, 2014/2/23, 城崎
30. T.Yakamoto, N. Kanda, CLIO Collaboration and KAGRA Collaboration, “Toward timedomain reconstruction of strain equivalent data in KAGRA”, Gravitational Wave andAstronomy Workshop 2013, 2013/12/18, IUCAA, Pune, India
31. 山本尚弘, 神田展行, CLIO Collaboration, KAGRA Collaboration, “Strain signal reconstruction in time domain for multi-purpose analysis in KAGRA”, 5th Korea-Japan Workshop on KAGRA, 2013/11/30, Seoul Natonal Univ.
32. 山本尚弘, 神田展行, CLIO Collaboration, KAGRA Collaboration, “時系列信号較正の重力
波源パラメータ決定精度への影響”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学
33. T.Yakamoto, N. Kanda, CLIO Collaboration and KAGRA Collaboration, “Calibration
and reconstruction in time-series of strain of gravitational wave detector”, Asia Paciﬁc
Physics Conference12, 2013/7/17, Makuhari Messe, Chiba
34. 山本尚弘, 神田展行, KAGRA Collaboration, “KAGRA のシミュレーションデータ”, 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 ブートキャ
ンプ, 2013/6/29, 大阪市立大学
35. T.Yakamoto, N. Kanda, CLIO Collaboration and KAGRA Collaboration, “Reconstructionof the time-series strain signal of laser interferometric gravitational wave detector”, Yukawa
International Seminar 2013, 2013/6/3, YITP, Kyoto Univ.
36. 鳥谷仁人, 神田展行, 伊藤洋介, KAGRA Collaboration, “KAGRA における ADC の量子化
誤差の影響の見積もり”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学
37. Masato Toritani, Nobuyuki Kanda, Yosuke Itoh, KAGRA Collaboration, “Optimizationof whitening ﬁlter and ADC in KAGRA signal acquisition for continuous gravitational
wave search”, Gravitational Wave and Astronomy Workshop 2013, 2013/12/17, IUCAA
38. 鳥谷仁人, 神田展行, 伊藤洋介, KAGRA Collaboration, “連続重力波探索に向けた KAGRA 信号取得における whitening ﬁlter と ADC の最適化”, 日本物理学会第 69 回年次大会, 2014/3/27, 東海大学
39. 田中一幸, 神田展行, “GPGPU による重力波ラジオメトリ天球マッピング”, 日本物理学会
第 69 回年次大会, 2014/3/27, 東海大学48

40. Kazuyuki Tanaka, “Gravitational Wave Radiometry : Numerical study and fast processing
with GPGPU”, 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」,
2014/2/23, 城崎, A04/05 Joint Camp
41. Kazuyuki Tanaka, Nobuyuki Kanda, “Gravitational Wave Radiometry : Fast processing
and large scale simulations with GPGPU”, Gravitational Wave and Astronomy Workshop
2013, 2013/12/18, IUCAA, Pune, India
42. 田中一幸, 神田展行, 田越秀行, KAGRA collaboration, “重力波ラジオメトリ：GPU を用いた計算の高速化と天球マッピング”, 日本物理学会 2013 年秋季大会, 2013/9/23, 高知大学
43. Kazuhiro Hayama, “Lectures: Fundamentals of the gravitational wave data analysisIII,
IV”, 2013 International School on Numerical Relativity and Gravitational Waves, 2013/8/11,
POSTECH, Korea
44. Kazuhiro Hayama, “KAGRA detector characterization”, 科研費新学術領域「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」隔月ワークショップ, 2013/10/19, 大阪市立大学
45. Kazuhiro Hayama, “Status of KAGRA detector characterization”, 日韓重力波ワークショッ
プ, 2013/11/29, Seoul National University、Korea
46. Kazuhiro Hayama, “Data analysis of gravitational waves from Stellar Core-Collapse Phenomena”, Workshop of Multi-messengers from Core-Collapse Supernovae, 2013/12/2, 福岡大学
47. Kazuhiro Hayama, “Correlated magnetic noise in Kamioka”, ET-LCGT Telescopes: Exchange of Scientists(ELiTES) meeting, 2013/12/2, The EU delegation, 六本木、日本
48. Kazuhiro Hayama, “超新星爆発からの重力波観測”, 日本天文学会 2014 年春季年会企画セッション「r プロセスと重力波天文学」, 2014/3/20, 国際基督教大学
49. Kazuhiro Hayama, “重力波源の電波対応天体 (シンポジウム 主題：重力波源とその電磁波、
ニュートリノ対応天体)”, 2013 年日本物理学会春季大会, 2014/3/28, 東海大学、湘南キャンパス
50. Kazuhiro Hayama, “Lecture: KAGRA 解析スクール
KAGRA 解析スクール, 2014/4/19, 東京大学

超新星爆発からの重力波探査”,

その他
卒業研究
1. 有馬 司, “超新星からの重力波の方向決定”, 大阪市立大学理学部卒業研究発表会, 2014/3/5
2. 神谷 慶, “Pop III 起源の連星合体重力波の KAGRA における検出可能性について”, 大阪
市立大学理学部卒業研究発表会, 2014/3/5
3. 宮本晃伸, “重力波”, 山口大学 卒業論文発表会, 2014/2/21, 山口大学,

学位論文
修士論文
1. 田中一幸, 「数値計算による重力波ラジオメトリの研究：GPGPU を用いた計算高速化と波源
分別フィルタ (Numerical study of gravitational wave “Radiometry” : fast processing withGPGPU and the source decompose ﬁlter)」49

研究助成金取得状況
1. 科学研究費補助金「GPGPU を用いた重力波ラジオメトリ計算の高速化」（基盤 (C)、代表：
神田展行、H23-25 年度）
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」
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、H24-28
年度）
3. 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）

海外出張および海外研修
1. 山本尚弘, 譲原浩貴（計２名）,“5th Korea-Japan Workshop on KAGRA”, 2013/11/30, Seoul National Univ.
2. 神田展行, 横澤孝章, 山本尚弘, 譲原浩貴, 田中一幸, 浅野光洋, 鳥谷仁人（計７名）,“Gravitational Wave and Astronomy Workshop 2013”, 2013/12/18, IUCAA, Pune, India

外国人研究者受け入れ
1. Natalia Korsakova (Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) , Hannover), 2013/5/30
Seminar title : “Testing Alternative Theories of Gravity with LISA Pathﬁnder”

主催、共催の研究会
1. KAGRA データ解析スクール @ NAOJ 2013
日時：2013 年 2 月 20 日 (水)-22 日 (金)場所：国立天文台
2. 新学術領域「重力波天体」領域研究会 (シンポジウム） 2012 年度
日時：2013 年 3 月 1 日 (金)、2 日 (土)場所：大阪市大3. 新学術領域「重力波天体」領域研究会 2013 年 5 月 ＠東工大
日時：2013 年 5 月 24 日 （１０：３０頃開始〜１７時）
場所：東京工大
4. 新学術領域「重力波天体」 A04 ブートキャンプ
日時：2013 年 6 月 28-29 日
場所：大阪市大 梅田サテライトキャンパス
5. 新学術領域「重力波天体」領域研究会 2013 年 7 月 ＠京大基研＋ TV リモート
日時：2013 年 7 月 26 日 （１０：３０頃開始〜１７時）
場所：京大基研, （TV 会議接続）東京工大ほか
6. KAGRA データ解析スクール @ RESCEU 2013
日時：2013 年 9 月 27 日 (金) 〜 9 月 28 日 (土)場所：東京大学 RESCUE (本郷)7. 領域研究会 2013 年 10 月 ＠大阪市大＋ TV リモート
日時：2013 年 10 月 19 日 （１０：００〜１７時）
場所：大阪市大、（TV 会議接続）東工大ほか

50

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

吉田武史
池口直人
岡本一希
近藤泰之
湯川巧

(M2)
(M1)
(B4)
(B4)
(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)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．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 1, 4, 6, 8, 9, 10, 12, 13, 20, 23, 24)．また，
チャームクォーク対生成事象や (学術論文 15, 17, 18, 28, 29) τ レプトン対生成事象 (学術論文 25)，高統計のデータを利用して共鳴状態の探索を行ない (学術論文 5, 7, 11, 14, 16, 21,
22, 26)，ハドロン物理の解明にも寄与している．この中でも，通常の粒子は 2 つあるいは 3
つのクォークから構成されるのに対し，クォーク 4 つで構成される共鳴状態の存在を確定させる研究結果を公表した論文 (学術論文 7) はアメリカ物理学会の「Highlights of the Year」にも選定された．

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，吉田，池口，湯川)
薄型で 2 次元読みだ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，東京農工大学，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 (学会・研究会講演 4)，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．また，GEM には放電に弱い欠点があるため，放電に耐えることが可能な GEMの開発を進めている．現在は基材としてテフロンを用いた GEM(図 1) を開発し，その性能を試験している (図 2, 学会・研究会講演 1) さらに北海道大学の 45 MeV 電子線形加速器施設の二次放射線の中性子線を使ったビームテストを行い，性能を評価し論文にまとめた．(学会・研究会講演 2、修士論文 1)．

図 1: GEM に用いるテフロン基材の断面図
図 2: 55 Fe による波高値分布. エスケープピークを確認できる．

51

3. 平行板型素粒子検出器の研究開発．(寺本，近藤)
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，高抵抗板に 8 10kV の電圧をかけることにより，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．2013 年度はブタンを用いない RPC の開発を進めた．

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)
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，高校や科学館などに配備している．2013 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)2015 年に実験開始が計画されている 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．共同研究の一環として，タイ王国チェンマイ大学に
CDC のシミュレーション作業を分担してもらうため，チェンマイ大学に赴き技術の移転を行った．CDC 全体の建設に先行して，分離した構造の内側パートのみを製作し (図 3)，宇宙線を使った性能試験を行い、その結果を公表した (学術論文 27)．

図 3: CDC の内側パートのワイヤー張り作業
さらに，読み出しエレクトロニクスの最終版の性能テストのため兵庫県 SPring-8 の LEPS
ビームラインを用いてビームテストを行い，エレクトロニクスボードのデータ転送速度，時間分解能，エネルギー分解能の確認を行った．また，CDC の各セルのドリフト電場の計算をしてシミュレーションを用いたドリフト時間と距離の関係を求め，その結果を Belle II の測定器シミュレーションに組み込んだ．CDC のワイヤー張りは 2014 年 1 月に終了し，ガス
リークチェックを開始した．上記の電場計算シミュレーションの高速化を図るため，GPGPUを用いた計算の分散化を検討した．台湾中央大学のグループと共同で CDC の読み出しエレクトロニクスを医療に応用するためのテスト実験を大阪大学核物理研究センター (RCNP)のサイクロトロン実験施設を用いて行い，低運動量陽子の飛跡検出性能を試験した．

教育・研究業績
学術論文
1. “Measurement of the inclusive semileptonic branching fraction B(Bs0 → X − ℓ+ νℓ )at Belle”

52

C. Oswald et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 87, no. 7, 072008 (2013)
2. “Search for heavy neutrinos at Belle”
D. Liventsev et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 87, no. 7, 071102 (2013)
3. “Precision Measurement of Charged Pion and Kaon Diﬀerential Cross Sections
in e+ e− Annihilation at s=10.52 GeV”
M. Leitgab et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 111, no. 6, 062002 (2013)
4. “Measurement of the CP violation parameters in B 0 → π + π − decays”
I. Adachi et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 9, 092003 (2013)
5. “Search for an H-dibaryon with mass near 2mΛ in Υ(1S) and Υ(2S) decays”
B. H. Kim et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 110, no. 22, 222002 (2013)
6. “Search for B → h(∗) ν ν̄ with the full Belle Υ(4S) data sample”
O. Lutz et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 87, no. 11, 111103 (2013)
7. “Study of e+ e− →π + π − J/ψ and Observation of a Charged Charmoniumlike Stateat Belle”
Z. Q. Liu et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013)
8. “Evidence of a new narrow resonance decaying to χc1 γ in B → χc1 γK”
V. Bhardwaj et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 111, no. 3, 032001 (2013)
9. “Evidence for the decay B 0 → K + K − π 0 ”
V. Gaur et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 87, no. 9, 091101 (2013)−
10. “Evidence for B̄s0 → Λ+c Λ̄π ”
E. Solovieva et al. [Belle Collaboration].
Phys. Lett. B 726, 206 (2013)

11. “Measurement of exclusive Υ(1S) and Υ(2S) decays into Vector-Pseudoscalar
final states”
C. P. Shen et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 1, 011102 (2013)
12. “Study of Exclusive B → Xu ℓν Decays and Extraction of |Vub | using Full Reconstruction Tagging at the Belle Experiment”
A. Sibidanov et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 3, 032005 (2013)
13. “Evidence for semileptonic B − → pp̄l− ν̄l decays”
K.-J. Tien et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 89, no. 1, 011101 (2014)
14. “Experimental constraints on the spin and parity of the Z(4430)+ ”
K. Chilikin et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, 074026 (2013)53

15. “First observation of Cabibbo-suppressed Ξ0c decays”
R. Chistov et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 7, 071103 (2013)
16. “Search for Bottomonium States in Exclusive Radiative Υ(2S) Decays”
S. Sandilya et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 111, no. 11, 112001 (2013)
17. “Measurement of the wrong-sign decay D0 → K + π − π + π − ”
E. White et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 5, 051101 (2013)
18. “Measurements of branching fractions of leptonic and hadronic Ds+ meson decays and extraction of the Ds+ meson decay constant”
A. Zupanc et al. [Belle Collaboration].
JHEP 1309, 139 (2013)
19. “High-statistics study of KS0 pair production in two-photon collisions”
S. Uehara et al. [Belle Collaboration].
PTEP 2013, 123C01 (2013)
20. “Angular analysis of B 0 → ϕK ∗ decays and search for CP violation at Belle”
M. Prim et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 7, 072004 (2013)
21. “First observation of the Z 0b (10610) in a Dalitz analysis of Υ(10860) → Υ(nS)π 0 π 0 ”
P. Krokovny et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 5, 052016 (2013)√
22. “Measurement of e+ e− → ωπ 0 , K ∗ (892)K̄ and K2∗ (1430)K̄ at s near 10.6 GeV”
C. P. Shen et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 5, 052019 (2013)
23. “Measurement of the decays Bs0 → J/ψϕ(1020), Bs0 → J/ψf2 ′(1525) and Bs0 →J/ψK + K − at Belle”
F. Thorne et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 11, 114006 (2013)
24. “Evidence for the suppressed decay B − → DK − , D → K + π − π 0 ”
M. Nayak et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 88, no. 9, 091104 (2013)
25. “Measurement of the τ -lepton lifetime at Belle”
K. Belous et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 112, no. 3, 031801 (2014)
26. “Search for the process e+ e− → J/ψ + X(1835) at
X. H. He et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 89, 032003 (2014)√s ≈ 10.6GeV”

27. “Inner chamber of the Belle II Central Drift Chamber”
K. Chaiwongkhot, T. Kohriki, N. Taniguchi, S. Uno, E. Nakano, U. Tippawan, S. Minemura and M. H. A. Nouxman et al..
10.1109/NSSMIC.2013.6829461
28. “Search for doubly charmed baryons and study of charmed strange baryons at
Belle”
Y. Kato et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 89, 052003 (2014)54

29. “Observation of D0 -D̄0 Mixing in e+ e− Collisions”
B. R. Ko et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 112, 111801 (2014)

学会・研究会講演
1. 吉田武史：「絶縁層にテフロンを用いた GEM の性能評価」日本物理学会 2013 年秋季大会
2013 年 9 月 高知大学朝倉キャンパス
2. 吉田武史：「絶縁層にテフロンを用いた GEM の性能評価」第 10 回 MPGD 研究会
年 12 月 京都大学

2013

3. 中野英一：「汎用読み出しボードを用いた GEM 検出器の読み出し」第 10 回 MPGD 研究会
2013 年 12 月 京都大学
4. 中野英一：「He ベースガスを用いた GEM 検出器の性能評価」日本物理学会第 69 回年次大会 2014 年 3 月 東海大学湘南キャンパス

学位論文
修士論文
1. 吉田武史：「耐放電性を持つテフロン GEM の開発」

研究助成金取得状況
1. 中野英一：文部科学省・新学術領域研究「多彩なフレーバーで探る新しいハドロン存在形態の包括的研究」 計画研究「B ファクトリー実験におけるエキゾチックハドロンの研究」75
万円

海外出張および海外研修
1. 中野英一：チェンマイ大学、2013 年 5 月 14 日〜5 月 20 日、測定器開発に関わる研究打合わ
せと技術指導2. 中野英一：台湾大学、2014 年 3 月 12 日〜3 月 16 日、Belle II 実験のための Trigger/DAQ
ワークショップ参加

55

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(D5)
西川隆介(D3)
速水真裕(D3)
宇野竜矢(D2)
根岸宏行(D1)

	  稲畑稔秋(M2)	  米倉良一(M1)
	
 

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が確認されています。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、特に超対称模型や高次元模型に基づいた現象論の研究に力を入れています。また、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なっています。	
 	 	  素粒子論研究室において2013年度に行なわれた研究は以下の通りです。	
 1. ゲージ・ヒッグス統一模型が予言するコライダー物理（丸）	  素粒子標準模型は現在までの実験結果を非常によく記述するが、未解決問題も多数存
在し標準模型を拡張した模型構築が必要不可欠である。標準模型を超える物理の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１部とみなし、高次元ゲージ対称性のためにヒッグスの物理に関して様々な予言を与える。昨年度のヒッグス粒子発見＠LHCを受けて、ゲージ・ヒッグス統一模型の枠組み
で、ヒッグス粒子の２光子崩壊計算を行った(論文2)。カラー１重項フェルミオンを導入することで、ヒッグス粒子質量と過剰２光子崩壊を同時に説明できることを示した。また、１ループレベルでH→Zγ崩壊が起こらないことを発見し、他の標準模型を超える模型との区別に使えることを指摘した(論文3)。
2.	
  D項でダイナミカルに超対称性を破る機構の研究（丸）	  数年前、随伴表現に属するカイラル多重項をもつ超対称ゲージ理論において、D項に対するギャップ方程式の非自明解をハートリー・フォック近似で発見した。この機構は超対称性がD項でダイナミカルに破れる新しい機構である。D項が生成されるとF項も生成される一般的な状況で、複素スカラー場、D、F項を背景場とする１ループ有効ポテンシ
ャルの変分問題を定式化し、超対称性がダイナミカルに破れる真空の数値解を求めた(論文1)。
3. 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，西川，根岸）	  我々の宇宙は現在、加速膨張しているように見えます。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、ということです。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56

るということを意味します。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ます。上記の説明から分かりいただけると思いますが、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つの仮定をしています。一つ目は「宇宙は一様等方」、二つ目は「一般相対論が正しい」です。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します。
	  我々の研究グループは、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ます。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す。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す。もしコペルニクス原理が正しければ、我々の場所以外でも宇宙は等方的に見えるはずです。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りますから、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します。しかし、もしコペルニクス原理が正しくなく、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ます。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す。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ちます。
	  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ます(論文4)。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ました。
4. 非一様宇宙の力学的進化（中尾）	  銀河分布や宇宙背景放射の観測結果は、我々の宇宙には，ほぼ一様等方に物質や輻射が分布していることを示唆しています。それゆえ、現在の標準宇宙論モデルは、一様等方宇宙モデルを基礎としており、重力理論として一般相対論を仮定すると、宇宙空間が膨張しているという観測事実を自然に説明することができます。しかしながら、この一様等方という性質は、厳密に言うと、「数億光年以下の構造を粗視化（平均化）すると、一様等方」ということであり、粗視化を行なわずに我々の宇宙を眺めて見ると、物質の分布は非一様です。我々の住む太陽系に注目すれば、ほぼ真空の中に太陽や惑星が存在しています。そのほぼ真空の領域にも、うっすらと分子や原子が分布しています。この離散的な物質分布
は、宇宙空間の膨張の仕方に影響を与える可能性があります。純粋な思考実験ですが、1950
年代後半に、LindquistとWheelerが、ブラックホールだけが存在する宇宙を想定し、そのブラックホールがほぼ等間隔に並んでいる場合に、塵状の物質が一様等方に分布している
宇宙のように宇宙空間が膨張するかどうかを、大胆な近似を用いて考察しました。結果は、宇宙論的ホライズン半径（膨張率の逆数に光速をかけると得られる）以下の領域に十分な個数のブラックホールが分布している状況では、一様等方宇宙と同様に膨張するというものでしたが、あまりに大胆な近似だったので、この問題は一般相対論における未解決問題の一つとして長らく残されていました。我々の研究グループは、近年発展目覚ましい数値
相対論（数値シミュレーションを用いて相対論的な重力現象を研究する手法）を用いて、この問題に取り組んできました。今年度は、厳密に等間隔に並ぶブラックホールだけが存在する宇宙の膨張則が、塵状物質が一様等方に分布する宇宙の膨張則と極めてよく一致することを示しました(論文6)。この結果は、ブラックホールがダークマターの候補となり得ることを強く示唆するものでもあります。

57

5. ワームホールの安定性（中尾，宇野）	  重力研究の第一人者であるKip Thorneが友人のCarl Saganから現実味の有る星間旅行の手段を教えて欲しいと頼まれて考えたのが、時空の虫食い穴（ワームホール）を用いる方法でした。Carl Saganにとっては、自身のSF小説をより説得力の有るものにすることが目的でしたが、Kip Thorneはその後、この考察を共同研究者とさらに進めて1988年にPhysicalReview Lettersに発表し、重力研究の分野に（色々な意味で）強い衝撃を与えました。ワー
ムホールによって時空の点Aと点Bがつながると、ワームホールが無い場合に比べて大幅な近道となる移動経路ができます。このAとBは空間的に離れていても良いし、時間的に離れていても構いません。空間的に離れている場合はいわゆるワープ航法が可能になります。時間的に離れている場合はタイムマシンとして使用可能です。一般相対論は、このようなワームホール構造を解として許しますが、無条件という訳ではなく、光的エネルギー条件を破る奇妙な物質がワームホール構造を維持するために必要です。また，光的エネル
ギー条件を満たしている我々が入っても安定に存続するワームホールでなければ、役に立ちません。Thorneの論文発表以降、ワームホールは重力研究の分野で市民権を得て、多くの研究者がその可能性について議論してきました。我々の研究グループでは、負の重力質量を持つ球対称なワームホール解を構成し、そのワームホールに有限質量の無限に薄い球殻を通過させたときの安定性を調べました。そして，球殻が通過した後も存続するワーム
ホール・モデルは理論上存在することを明らかにしました(論文7)。
6. 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であることを予言します。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ます。4次元時空における定常
ブラックホールの事象地平は、必ず球と位相同形ですが、高次元時空では球とは限らないことが知られています。それゆえ、ブラックホールという呼び名を球と位相同形の事象地平を持つものに限定し、球以外の位相の事象地平を持つものをまとめて、ブラックオブジェクトと呼んでいます。4次元時空ではブラックホールの安定性は詳しく調べられており、安定であることが知られています。一方、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ますが、ブラックオブジェクト解には多様性があるため、まだ調べ尽くされてはいません。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す。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ます。我々の研究グループは、バルセロナ大学の研究グ
ループと協力し、Dを「有限だが大きな数」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、ブラックストリング（真空解は5次元以上の時空の場合にのみ存在）と高次元ブラックホールの安定性を調べ、数値結果と無矛盾な結果を得ました(論文5)。	
 教育・研究業績
学術論文
1. H. Itoyama, N. Maru : “D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking”, Phys. Rev. D88
025012 (17 pages) (2013).
2. N. Maru, N. Okada : “Diphoton Decay Excess and 125 GeV Higgs Boson in Gauge-Higgs
Unification”, Phys. Rev. D87 095019 (9 pages) (2013).
3. N, Maru, N. Okada : “H→Zγin Gauge-Higgs Unification”, Phys. Rev. D88, 037701 (6 pages)(2013).
4. R. Nishikawa, C.M. Yoo and K. Nakao : “Two-point correlation function of density perturbations
in a large void universe”, Phys. Rev. D88, 123520 (8 pages) (2013).

58

5.
6.
7.

R. Emparan, R. Suzuki and K. Tanabe: “The large D limit of general relativity”, JHEP, 1306, 009(2013).
C.M. Yoo, H. Okawa and K. Nakao: “Black hole universe: Time evolution”, Phys. Rev. Lett. 111,
161102 (4 pages) (2013).
K. Nakao, T. Uno and S. Kinoshita: “What wormhole is traversable?: A case of a wormhole
supported by a spherical thin shell”, Phys. Rev. D88, 044026 (10 pages) (2013).

国際会議講演
1. N. Maru, N. Okada：“Diphoton Decay Excess and 125 GeV Higgs Boson in Gauge-Higgs
Unification”, 21st International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental
Interactions (SUSY2013), 2013年8月30日, イタリア、トリエステ理論物理学国際センター
2. K. Nakao：“How small can an over-spinning body become?”, Workshop on Collapsing Objects,
2013年10月21日− 10月25日，中華人民共和国，復旦大学 (Fudan University)
3. K. Nakao：“The spacetime singularities and cosmic censorship”, International Conference on
Recent Advances of Mathematics 2014 (ICRAM2014), 2014年1月18日− 1月23日, インド，ナ
グプール大学 (Nagpur University)
4. R. Nishikawa：“Newtonian self-gravitating system in a relativistic void universe model”, 23-th
International workshop on general relativity and gravitation, 2014年11月5日− 11月8日, 弘前大
学

学会・研究会講演
1. 糸山 浩, 丸 信人：「D-Term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking」	
 日本物理学会	  2013年秋の分科会，2013年9月20日− 9月23日，高知大学
2. 丸 信人, 岡田 宣親：「Diphoton Decay Excess and 125 GeV Higgs Boson in Gauge-Higgs
Unification」	
  日本物理学会	
  2013年秋の分科会，2013年9月20日− 9月23日，高知大学
3. 鈴木良拓，Roberto Emparan, 田辺健太郎：「Large D limitにおける高次元ブラックホールの解析」日本物理学会	
  2013年秋の分科会，2013年9月20日− 9月23日，高知大学
4. 柳哲文，大川博督，中尾憲一：「ブラックホール宇宙の時間発展」日本物理学会	
  2013
年秋の分科会，2013年9月20日− 9月23日，高知大学
5. 鈴木良拓，田辺健太郎：「次元極大展開を用いた高次元回転ブラックホールの安定性解析」
日本物理学会第69回年次大会，2014年3月16日− 3月18日，東海大学湘南キャンパス
6. 西川隆介，中尾憲一，柳哲文：「相対論的ヴォイド宇宙モデル上のニュートン的自己重力系」日本物理学会第69回年次大会，2014年3月16日− 3月18日，東海大学湘南キャンパス
7. 宇野竜矢，中尾憲一，木下俊一郎：「Dust shell の通過によって正質量の静的 wormhole に何が起こるか？」日本物理学会第69回年次大会，2014年3月16日− 3月18日，東海大学湘南キャンパス
8. 根岸宏行，中尾憲一，柳哲文，西川隆介：「非一様性が観測量に与える影響」日本物理学会第69回年次大会，2014年3月16日− 3月18日，東海大学湘南キャンパス
9. 糸山 浩, 丸 信人：「D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking」	
  基研研究会
素粒子物理学の進展2013	
  2013年8月7日	
  京都大学基礎物理学研究所 ポスター発表
10. 丸 信人, 岡田 宣親：「Diphoton and Z photon Decays of Higgs Boson in Gauge-Higgs
Unification」 研究会 KEK-PH2013 FALL 2013年10月2日高エネルギー加速器研究機構
11. 林 青司, 丸 信人, 三浦 貴司：「Calculability of Higgs Mass in D>5 Gauge-Higgs Unification」
Workshop 2014 “TeV-scale physics after the discovery of the Higgs particle” 2014年3月26日 東
京女子大学
12. 根岸宏行：「宇宙の非一様性が観測量に与える影響」第15回特異点研究会『特異点と時

59

空および関連する物理』，2014年1月11日− 1月13日，茨城大学水戸キャンパス
13. 西川隆介：「LTB宇宙モデル上のニュートン的自己重力系」第15回特異点研究会『特異点と時空および関連する物理』，2014年1月11日− 1月13日，茨城大学水戸キャンパス
14. 鈴木良拓：「次元極大極限における高次元回転ブラックホールの不安定性」第15回特異点研究会『特異点と時空および関連する物理』，2014年1月11日− 1月13日，茨城大学水戸キャンパス
15. 中尾憲一：「Is there a minimum size of an over-spinning body?」第15回特異点研究会『特異点と時空および関連する物理』，2014年1月11日− 1月13日，茨城大学水戸キャンパス
16. 鈴木良拓：「The large D limit of the Myers-Perry Black Holes」第3回相対論合宿型研究会，
2014年3月16日− 18日，和歌山工業高等専門学校
17. 中尾憲一：「強重力場での高エネルギー粒子衝突」第3回相対論合宿型研究会，2014年3月16日− 18日，和歌山工業高等専門学校
その他【 集 中 講 義 】 	
 
1.	
 丸	
 信人：「ゲージ・ヒッグス統一模型の物理」2014年3月11, 12日 名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構(KMI)	
 【 セ ミ ナ ー 講 演 】 	
 1. 丸 信人：「Diphoton Decay Excess and 125 GeV Higgs Boson in Gauge-Higgs Unification」	
 2013年5月10日 岡山光量子研究所, 2013年6月7日 お茶の水大学, 2013年7月17日 京都大学, 2013年10月9日 首都大学
2. 丸 信人：「D-term Triggered Dynamical SUSY Breaking」2013年6月21日 大阪私立大学
3. 丸 信人：「Collider Signatures of Gauge-Higgs Unification at LHC」2014年3月12日 名古屋
大学素粒子宇宙起源研究機構(KMI)【一般講演】
1. 丸 信人：「世紀の大発見!!ヒッグス粒子って何だろう？」2014年3月3日, フロンティア
物理講演会 in 山形, 山形大学
【解説記事】
1. 丸	
  信人：「異次元空間へのいざない」, 大阪市立科学館機関誌 月刊「うちゅう」2013
年9月号

学位論文
修士論文
1. 稲畑稔秋：「真空中の同心球対称Shellの数値解析」
博士論文
1. 西川隆介：“Cosmic structure formation in non-Copernican cosmological model（非コペルニ
クス的宇宙モデル上の構造形成）”

研究助成金取得状況
1.
2.
3.

丸信人：日本学術振興会科学研究費 基盤研究(C)「ゲージ・ヒッグス統一模型におけるフレーバー物理の研究」直接経費60万円, 間接経費18万円
中尾憲一：日本学術振興会科学研究費 基盤研究(C)「相対論的非一様宇宙の研究」直接
経費70万円，間接経費21万円
西川隆介：日本学術振興会特別研究員奨励費「非一様宇宙モデルを用いたダークエネルギ
ー問題およびコペルニクス原理の検証」60万円

60

海外出張および海外研修
1.

2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

丸信人：イタリア，トリエステ理論物理学国際センター，2013年8月25－9月2日，21stInternational Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions(SUSY2013) 出席・発表
中尾憲一：イギリス，ケンブリッジ大学，Centre for Mathematical Sciences, DAMTP，2013
年3月22日− 9月21日，在外研究員
中尾憲一：フランス，パリ第７大学，Laboratory of AstroParticle and Cosmology, 2013年5月14日− 5月17日，研究打ち合わせ
中尾憲一：イギリス、ポーツマス大学，Institute of Cosmology and Gravitation, 2013年8月27日− 8月30日，セミナーおよび研究打ち合わせ
中尾憲一：中華人民共和国，復旦大学，2013年10月21日− 10月25日，Workshop on Collapsing
Objects に出席・招待講演
中尾憲一：インド，ナグプール大学，2014年1月18日− 23日，International Conference on
Recent Advances of Mathematics 2014 (ICRAM2014) に出席・招待講演
西川隆介：フランス，パリ第７大学，Laboratoire AstroParticule et Cosmologie, 2013年10月1日− 2014年9月30日，JSPS頭脳循環海外派遣プログラムによる海外研修
西川隆介：イギリス，ケンブリッジ大学，Centre for Mathematical Sciences, DAMTP，2013
年9月1日− 9月28日，JSPS頭脳循環海外派遣プログラムによる海外研修

その他
1.

丸 信人：大手前高等学校, SSH「サイエンス探究」中間発表会 講評, 2014年2年15日

61数理物理学研究室
糸山浩司
安井幸則
大橋圭介

教授
准教授
特任助教

大田武志 (数学研究所員)
吉岡礼治 (数学研究所員)
米澤信拓 (数学研究所員)
出口 翔 (D3)

樋ノ上和貴 (D2)矢野航平 (D1)
青柳和仁 (M3)廣岡隆孝 (M2)北川大輝 (M1)研究概要
1. q-変形 Virasoro/W 代数ブロックと ALE 空間上のインスタントン分配関数 (糸山・大田・
吉岡)(Wyllard)-Alday-Gaiotto-Tachikawa 予想は, 2 次元共形場理論のコンフォーマルブロックと4 次元 N = 2 超対称ゲージ理論のインスタントン分配関数の間に対応があるというものである. この (W)AGT 予想の「q-もちあげ」版から出発して, 変形パラメータ q をベキ根にする極限をうまく考えると,2 次元理論側ではパラフェルミオン的なカレントが現われ, 4 次元
側では ALE 空間上の超対称ゲージ理論のインスタントン分配関数があらわれることを示した. われわれの提案した極限操作により, あるクラスの 2 次元/4 次元対応を統一的にとらえることができることを示した.
2. DDSB(D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking)（糸山）と Higgs Physics
丸（大阪市立大学）と共に提案した D-term を引き金にする超対称性の力学的破れの新しい機構をさらに進展させ、Higgs mass と超対称性の力学的破れを関係付けた。
3. 超重力理論のブラックホール時空の対称性の研究（安井）
真空のブラックホール時空の 隠れた対称性 は共形キリング・矢野テンソルと呼ばれる特別なテンソル場によって記述されることが知られている. 物質場が存在するときこのような対称性はどうなるのか？ 超弦理論や超重力理論の舞台となる高次元時空には重力場以外にスカラー場, 反対称テンソル場等々いろいろな物質場が存在する. 本研究では, 超重力理論の高次元ブラックホール時空にも隠れた対称性が存在し「ねじれ」を持つ共形キリング・矢野
テンソルによってそのような対称性が記述できることを明らかにした.
4. 例外群に基づく素粒子の統一模型（樋ノ上・廣岡・安井）
3 世代のクオーク・レプトンを収容する例外群 E8 をターゲットとする非線形シグマ模型を解析した. また, このような模型をヘテロ型超重力理論のソリトン解を使って実現する新しい機構を発見した。
5. 超対称性理論におけるボーテックス (大橋)超対称性理論のボーテックス解について様々な角度から研究を行っている。非アーベリアン
ゲージ理論において形成されるボーテックス解を考えると、その解はフレーバー対称性に起因した内部モジュライを一般に持つ。そのフレーバー対称性をゲージ化した理論を考えると
低エネルギー理論でヒッグス機構で壊れずに生き残るゲージ場が現れるが、ボーテックスは
このゲージ場に対し Aharonov-Bohm 効果や、電荷、電流をその軸上に持つようになる。このような機構を発見し、具体的に計算した。
6. 共形場理論における exchange algebra と q − 6j symbol (出口)出口は WZW 模型における exchange algebra とそこから生ずる 6j symbol を、高階のリー代数に対して考察した。
7. 超弦（紐）理論に於ける、宇宙項を小さくする機構の考察及び FI 項 (青柳・矢野・糸山)
青柳は超弦（紐）理論に於ける、糸山・Taylor による宇宙項を小さくする機構を再考した。
糸山・矢野は light-cone Green-Schwarz formalism での Z3 open string orbifold での FI 項を計算した。

62

教育・研究業績
著書
1.

糸山浩司 横山順一
版会 (2013)

川合光

南部陽一郎：「宇宙と素粒子のなりたち」京都大学学術出2. 安井幸則：「アインシュタインが取り入れたリーマン幾何学の発想」
科学、2014 年 3 月)

(サイエンス社 数理

学術論文
1. H. Itoyama, T. Oota, R. Yoshioka: “2d-4d Connection between q-Virasoro/W Block at
Root of Unity Limit and Instanton Partition Function on ALE Space”, Nucl. Phys. B 877,
506-537 (2013).
2. H. Itoyama, Nobuhito Maru: ”D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking”,
Phys. Rev. D 88 025012, 1-33 (2013);
3. T. Houri, H. Takeuchi, Y. Yasui: “A Deformation of Sasakian Structure in the Presenceof Torsion and Supergravity Solutions ”, Class. Quant. Grav. 30, 135008 (2013).
4. H. Itoyama, K. Yano: “Calculation of Fayet-Iliopoulos D-term in type I string theory
revisited: T6/Z3 orbifold case”, Phys. Lett. B 727, 527-531 (2013).
5. J. Evslin, K. Konishi, M. Nitta, K. Ohashi, W. Vinci: “Non-Abelian Vortices with an
Aharonov-Bohm Eﬀect”, JHEP 1401, 086 (2014).
6. H. Itoyama, Nobuhito Maru ”126 GeV Higgs Boson Associated with D-term Triggered
Dynamical Supersymmetry Breaking” OCU-PHYS-395, arXiv:1312.4157 [hep-ph]

国際会議会議録
1. Katsushi Ito, Hiroshi Itoyama, Hiroaki Kanno, Tatsuo Kobayashi, Kazutoshi Ohta, Takeshi
Oota (編): “Progress in Quantum Field Theory and String Theory”, International Journalof Modern Physics: Conference Series, Volume 21, (2013), 大阪市立大学学術情報センター,
2012 年 4 月 3 日-4 月 7 日, World Scentiﬁc.
2. Katsushi Ito, Hiroshi Itoyama, Hiroaki Kanno, Tatsuo Kobayashi, Kazutoshi Ohta, Takeshi
Oota: “Preface” for SPECIAL ISSUE - Selected Papers on the Progress in Quantum Field
Theory and String Theory, 大阪市立大学学術情報センター, 2012 年 4 月 3 日-4 月 7 日, Int.
J. Mod. Phys. A28 (2013), pp.3-4, World Scientiﬁc.
3. H. Itoyama, T. Oota, R. Yoshioka:“q-Virasoro algebra at root of unity limit and 2d-4d
connection”, J. Phys. Conf. Ser. 474, 012022 (2013).
4. T. Oota: “β-deformed matrix models and Nekrasov partition function”, Int. J. Mod. Phys.
Conf. Ser. 21, 92-100 (2013).

国際会議会議講演
1. H. Itoyama:”q-Virasoro algebra at root of unity limit and 2d-4d connection”, Todai/RIKEN
joint workshop on Super Yang-Mills, solvable systems and related subjects, 東京大学理学部, 2013 年 10 月 24 日
2. H. Itoyama: ”D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking”, SUSY 2013, International conference on supersymmetry, ICTP, Trieste, Italy, August 30, 201363

3. H. Itoyama:”q-Virasoro algebra at root of unity limit and 2d-4d connection”, the XXIst International Conference on Integrable Systems and Quantum Symmetries (ISQS21), Prague,
Czech Republic, June 13, 2013
4. T. Oota: “On Cherednik algebra and its root of unity limit”, 学振二国間交流事業共同研究
ロシアとの共同研究 (RFBR) とりまとめ研究会 Progress in the systhesis of integrabilities
arising from gauge-string duality, 2014 年 3 月 7 日, 立命館大学びわこ・くさつキャンパス.
5. R. Yoshioka: “q-Virasoro algebra and parafermion”, 学振二国間交流事業共同研究ロシアとの共同研究 (RFBR) とりまとめ研究会 Progress in the systhesis of integrabilities arisingfrom gauge-string duality, 2014 年 3 月 4 日, KKR ホテルびわこ.
6. R. Yoshioka: “q-Virasoro algebra at root of unity limit and 2d-4d connection”, 学振二
国間交流事業共同研究ロシアとの共同研究 (RFBR) 研究会 Synthesis of integrabilities in
the context of duality between the string theory and gauge theories, Higher School of
Economics, 2013 年 9 月 9 日, モスクワ, ロシア学会・研究会講演
1. 糸山浩司、丸信人、”D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking and its Connection to 126 Gev Higgs”、日本物理学会年会東海大学、平塚市、2014 年 3 月 30 日
2. 糸山浩司、丸信人、”D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking”、日本物理学会分科会高知大学、高知市、2014 年 9 月 20 日
3. H. Itoyama ”D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking”、seminar given at
Physics Department, Columbia University, February 12, 2014
4. 安井幸則：「CKY 対称性と佐々木構造の変形」 微分幾何セミナー
立大学数学研究所

2013 年 5 月 大阪市

5. 安井幸則：「共形キリング矢野対称性と超重力理論への応用」セミナー
大学数理物理学センター

2013 年 7 月 立教

6. 安井幸則：「Conformal Killing-Yano テンソルの次元公式」 日本物理学会
科会 高知大学

2013 年秋の分

7. 樋ノ上和貴, 廣岡隆孝, 安井幸則, 溝口俊哉：「例外群 E8 に基づく素粒子の統一模型」
日本物理学会 2013 年秋の分科会 高知大学
8. 安井幸則：「CKY と時空の隠れた対称性」セミナー
究機構

2013 年 10 月 高エネルギー加速器研9. 安井幸則：「例外群 E8 に基づく素粒子の統一模型」セミナー
加速器研究機構

2013 年 10 月 高エネルギー

10. 安井幸則：「例外群 E8 に基づく素粒子の超対称非線形模型」特異点研究会「特異点と時空」
2014 年 1 月 茨城大学
11. 樋ノ上和貴, 安井幸則, 溝口俊哉：「Supersymmetric Domain Wall」
日本物理学会 2014 年春の分科会 東海大学
12. 吉岡礼治：“Use of q-Virasoro/W block at root of unity for 2d-4d connection”, 基研研究会
場の理論と弦理論, 京大基研, 2013 年 8 月 20 日
13. 吉岡礼治：“q-Virasoro/W Block at Root of Unity for the Parafermion Block and Nekrasov
Function on ALE Space”, 第 10 回日露 working seminar, 大阪市大 文化交流センター, 2013年6月5日
14. 矢野航平, 糸山 浩司: 「F-I term revisited」 日本物理学会
大学642013 年秋の分科会 高知15. 大橋圭介: “ NonAbelian Vortex with Aharonov-Bohm Eﬀect”, 研究集会「トポロジカル・
ソリトンの数理と物理」2014 年 1 月 6 日 (月) 名古屋大学

学位論文
修士論文
1. 青柳：「超対称性を持たない弦模型のモジュラー不変性と真空のエネルギー」

研究助成金取得状況
1. 糸山浩司: 日本学術振興会基盤研究 (C) 研究代表者, No.23540316「ゲージ理論と紐理論に於ける可積分性の出現と素粒子物理への予言」130 万円
2. 糸山浩司: 日本学術振興会二国間交流事業ロシアとの共同研究代表者,「ゲージ理論と弦理論の双対性による可積分性の統合と進展」250 万円
3. 安井幸則：学術振興会・基盤研究 (Ｃ)「高次元ブラックホールの対称性」780 千円

海外出張および海外研修
1. 糸山浩司：ロシア Steklov Mathematical Institute, Higher School of Economics, 2013 年 9 月
8 日〜9 月 14 日、学振二国間交流事業共同研究ロシアとの共同研究 (RFBR) 研究会 Synthesisof integrabilities in the context of duality between the string theory and gauge theories を研究代表者としてロシア側と共同開催・出席
2. H. Itoyama: SUSY 2013, International conference on supersymmetry, ICTP, Trieste, Italy,
August 25-31, 2013 に参加・講演。
3. H. Itoyama: the XXIst International Conference on Integrable Systems and Quantum
Symmetries (ISQS21), Prague, Czech Republic, June 11-18, 2013 参加及び招待講演
4. H. Itoyama: Physics Department, Columbia University, February 7-14, 2014 訪問・議論・及びセミナー
5. 吉岡礼治：ロシア Steklov Mathematical Institute, Higher School of Economics, 2013 年 9 月
8 日〜9 月 14 日、学振二国間交流事業共同研究ロシアとの共同研究 (RFBR) 研究会 Synthesisof integrabilities in the context of duality between the string theory and gauge theories に
出席・発表

その他
1. 糸山浩司・大田武志・丸吉一暢：論文 “The Quiver Matrix Model and 2d-4d Conformal
Connection”, Prog. Theor. Phys. 123, 957-987 (2010) が第 19 回日本物理学会論文賞を受賞した。
2. 糸山浩司：日本学術振興会二国間交流事業ロシアとの共同研究「ゲージ理論と弦理論の双対性による可積分性の統合と進展」の一環として、2 回の WORKSHOP を MOSCOW（2013年 9 月）及び滋賀県唐崎 KKR 琵琶湖 (2014 年 3 月) で実施した。その後大阪市立大学で共同研究した。
3. 糸山浩司：日本学術振興会二国間交流事業ロシアとの共同研究「ゲージ理論と弦理論の双対性による可積分性の統合と進展」の一環として、3 回の国内 WORKING SEMINAR を大阪市大梅田文化交流センター、名古屋多元数理、大岡山東工大で実施した。
4. 糸山浩司: 清矢・丸・山本と協力して、2013 年９月 25 日 理論・実験合同ワークショップ
於ホテル VIARE 大阪 ５階新会議室「レガート」 で開催。

65

5. 糸山浩司：小原・荻尾・丸と協力して、大手前高校との高大連携 SSH をさらに推し進めた。
6. 安井幸則：Class. Quant. Grav.
Yano Tensor with Torsion」が誌から論文「Local Metrics Admitting a Principal Killing2012-2013 年の Highlights 論文に選ばれた.

66

宇宙物理研究室
石原	
 秀樹	
  教授	
 
木下	
 俊一郎(数学研究所研究員)	
  中村	
 晴貴(M2)	
 浜端	
 広充	
  准教授	  龍岡	 聖満(D4)	
 辰巳	
 聡一朗(M2)	
 高田	
 真聡(D3)	
 小川	
 達也(M1)	
 桝田	 篤樹(D2)	
 長谷川	
 創一(M1)	
 
	
 

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．2013年度に行った研究を以下にまとめる．
1. 高次元時空	 重力を含む統一理論では，高次元時空が示唆される．これを検証する鍵となるのが高次
元時空におけるブラックホールであると考えられている．今年度は以下の様な研究を行った．	
 (1) （龍岡，木村（京大基研），松野（島根大），石原）	
 3次元空間が膨張し，1次元の余剰次元が収縮する5次元の宇宙モデルを考えることができる．その中に存在する電荷をもったブラックホールを表す厳密解を構成することができ，そのホライズン性質を調べた．	
 (2) （中村，石原）	
 5次元のAnti-de	
 Sitter	 時空は最大対称時空であり，等長変換を生成する多くのKilling	 ベクトルをもっている．一つの１径数変換群による軌道を１点に射影した軌道空間は，それを生成するKillingベクトルの選び方のよってさまざまな性質をもつ．KillingベクトルをLorentz回転に選び，軌道空間にKillingベクトルのノル
ムで重みを付けた射影計量を考えると，ブラック・ブレイン構造が現れることを示した．	
 (3) （辰巳，石原）	
 4次元のリッチ曲率がゼロであるTaub-bolt計量上の調和関数を用いて，最大電荷をもった5次元のブラックホール解を作ることができる．さらに，計量に時間依存性を持たせることによって正の宇宙項のある系の厳密解を構成できることを示した．	
 (4) （木下,	
 石井（Creta	 U.）,	 村田（慶応大）,	
 棚橋（IPMU,	
 DAMTP））	
 高次元時空においては、同じ質量や電荷といった保存量に対して,	
 多種の形態のブ
ラックホールが存在しうる．1次元をコンパクト化したKaluza-Klein時空における荷電ブラックホール解を	 matched	 asymptotic	
 expansionの手法を用いて構成した．	
 また，熱力学的第一法則が成り立つことを確認し，	
 厳密解の存在するextreme極限
へ連続的に移行することを示した．	
 	
 2. Kerrブラックホール中の光の伝播（桝田，伊形（近畿大），木下，中尾，石原）	
 円偏光をもつ光がKerrブラックホール時空を伝播するときの軌道を相対論的に共変な形式で導出した．また，円偏光とは別に，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．	
 Kerrブラックホール時空を伝播する光渦の軌道をアイコ
ナール近似もとで導出することができた．	
 
	
 

67

3. ブラックホール・シャドウ（高田，伊形（近畿大），石原）	
 ブラックホールの周りに広がった光源が角運動量をもたずに落下していると仮定したと
き，観測される明るさの分布の研究をした．ブラックホールの周りの光の不安定円軌道の存在により，ブラックホール・シャドウの縁は周囲より明るくなる．このとき観測される光子の個数分布と振動数分布を調べた．	
 	
 4. 余一様性１の相対論的な膜の運動（古崎（石川高専），古池（慶応大），石原）	
 Nambu-Gotoの方程式で記述される相対論的な膜の運動は複雑であるが，膜に幾何学的な対称性を課すことによって，運動方程式を常微分方程式に帰着させることを示した．また，４次元Minkowski時空において膜の対称性の分類を行った．	
 
	
 
	
 

＜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，2次元，並進対称および軸対称の非線形磁気流体波のより一般的な厳密解を見いだした．また，helical 対称解についても検討中である．	
 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.	
 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,	
 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．現在、その点に着目し，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 ）昨年度に引き続き，Vlasov方程式に基づいた線形解析による大振幅の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進行中である．また，大振幅Alfvén
波のスペクトルの広がりの効果および斜め伝播のモードへの崩壊についてもMHD方程式とともにVlasov方程式に基づいた研究にも取りかかっている．また，太陽風プラズマの応用についても検討中である．	
 
	
 
	
 

68

教育・研究業績
学術論文
1. Takaaki Ishii, Shunichiro Kinoshita, Keiju Murata, Norihiro Tanahashi
Dynamical Meson Melting in Holography
JHEP 1404 (2014) 099.

国際会議発表1. Atsuki Masuda, Shunichiro Kinoshita, Hideki Ishihara,“Propagation of twisted waves in a Kerr space-time”,
The 23th JGRG workshop, Hirosaki University, 2013, Nov.
2. Hiroshi KOZAKI, Hideki Ishihara, Tatsuhiko Koike,“An exact solution describing a closed membrane without spherical symmetry”,
The 23th JGRG workshop, Hirosaki University, 2013, Nov.
3. Shunichiro Kinoshita“Dynamical process in Holographic QCD”,
The 23rd JGRG Workshop, Hirosaki University, November 2013.
	 学会・研究会講演
1. 桝田篤樹，石原秀樹，伊形尚久，中尾憲一	
 “カー時空での円偏光状態にある光線束の伝播”	
 日本物理学会	
 第 69 回年次大会	
 (東海大学	 2014 年 3 月 27 日～30 日)	
 2. 木下俊一郎	 	 “Stability	 of	
 warped	
 Freund-Rubin	
 solutions”	
 日本物理学会	
 第 69 回年次大会	
 (東海大学	 2014 年 3 月 27 日～30 日)	
 3. 木村匡志，石原秀樹，松野研，田中貴浩	
 “ブラックホール地平面上の曲率特異点の解析方法について”	 日本物理学会	 2013 年秋季大会	
 (高知大学	 2013 年 9 月 20 日～23 日)	
 4. 高田真聡，石原秀樹，伊形尚久	
 “ブラックホールシャドウと Kerr パラメータ”	
 日本物理学会	 2013 年秋季大会	
 (高知大学	 2013 年 9 月 20 日～23 日)	
 5. 木下俊一郎,	
 村田佳樹,	
 棚橋典大	
 “ホログラフィックQCDにおける非平衡過程”	
 日本物理学会	 2013年秋季大会	
 (高知大学	 2013年9月20日～23日)	
 6. 木下俊一郎,	
 村田佳樹,	
 棚橋典大	
 “ホログラフィックQCDにおける非平衡過程”	
 日本物理学会	 2013年秋季大会	
 (高知大学	 2013年9月20日～23日)	
 7. 伊形尚久	 “Myers-Perry ブラックホールにおける粒子の安定束縛軌道”	
 第１５回特異点研究会，茨城大学	
  水戸キャンパス，2014 年 1 月 11 日～1 月 13 日	
 8. 高田真聡	 “ブラックホールシャドウと Kerr パラメータ”	
 第１５回特異点研究会，茨城大学	
  水戸キャンパス，2014 年 1 月 11 日～1 月 13 日	
 9. 桝田篤樹	 “回転しているブラックホール周辺での光渦の軌道”	
 第１５回特異点研究会，茨城大学	
  水戸キャンパス，2014 年 1 月 11 日～1 月 13 日	
 
	
 
	
 

69

そ の 他 	
 1. 石原秀樹	 全国同時七夕講演会「ブラックホール・ナイト	
 ―	
 この夏、ブラックホールがアツい！」（2012 年 7 月 13 日	
 大阪市立科学館）	
 2. 石原秀樹	 	
 高津高校進路講演会(模擬講義)（2013 年 10 月 10 日，高津高校）	
 	
 

海外出張および海外研修なし

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原子核理論研究室
櫻木 弘之	
  教授
有馬 正樹	
  准教授
勝間 正彦	
  研究員※

鳥居田浩也 (M2)
金子祥太朗	 (M1)栢野 翔太 (M1)

石井	
 究	
  	
 (UG4)尾田	
 達哉	
 (UG4)山本	
 拓未	
 (UG4)（※数学研究所専任研究所員）

研究概要	
 
	
 
1. Skyrme 模型による⊿共鳴の研究（鳥井田、有馬）	  ⊿共鳴は核子の励起状態の一つである。スピン3/2、アイソスピン3/2をもつこの状態
は、πN散乱のP33部分波に見出される。そして、Skyrme	
 模型における⊿共鳴は、古典的ソリトンのスピン・アイソスピン回転に関わるゼロモード励起として現れることが知られている。しかし、Skyrme	
 模型を量子化すると、動的なπ中間子と核子としてのソリト
ンとの間の相互作用が、ゼロモード励起とは別の⊿共鳴状態を構成する可能性があることがわかる。そこで、本研究では、Skyrme	
 模型での⊿共鳴状態に関するこれら二通りの記述方法を比較検討し、この共鳴状態の内部構造を明らかにすることを目的とする。今年度はその準備段階であり、Skyrme	
 模型におけるゼロモード励起について、従来知られている結果をまとめた。今後はその知識をもとにして、動的なπ中間子と核子としてのソリトンとの間の相互作用が共鳴状態を作り得る強さを持つか否かについて調べる。πN	
 相互作用をもとに⊿共鳴を作る考え方は昔のChew-Low	
 理論として知られており、本研究ではその方法を現代的な	 Skyrme	
 模型の中で改めて考察をするつもりである。	
 2. πN 散乱の P11 部分波と Roper 共鳴の研究（栢野、有馬）	  πN 散乱の P11 部分波は、核子による Born 項の影響を直接受ける部分波であり、低エネルギーでのπN 相互作用を支配する。それと同時に、この部分波には Roper 共鳴などの性質が明らかでない共鳴状態が現れることでもしられており、核子の内部構造を調べるうえでも重要な部分波である。我々は量子化された Skyrme 模型を用いてこの部分波の解析に取り組んだ。Skyrme 模型による従来のこの類の研究では、核子としてのソリトンのゼロモード励起を系統的に含めたものはなく、我々の P11 部分波に対する考察がその第一歩となる。昨年度までの取り組みで、この部分波に対する核子 Born 項の寄与を調べて、Skyrme 模型でπN 散乱を研究することの有効性を示した。本研究ではその内容を拡張し、Born	
 項以外の全ての寄与を取り込むことを目指す。今年度は、その準備段階として、Skyrme	
 模型の量子化により現れるπ中間子の散乱波を計算するための微分方程式の導出を行った。今後は、それを数値的に解くことで得られた散乱波を用いて、P
11 部分波の散乱振幅を定量的に調べるつもりである。

3. 微視的相互作用を用いた中間エネルギー重イオン弾性・非弾性散乱の研究（古本、櫻木、山本、G.Zang，W.Qu，谷畑、寺嶋）	  古本・櫻木・山本による一連の「複素G行列有効核力に基づく原子核間相互作用の理論的研究」で、核子あたりの入射エネルギー(E/A)が100～400 MeVの領域では、核間相互作
用が引力から斥力に転移することが予言されている。またこのエネルギー領域では、相互作用虚部のエネルギー依存性が、非弾性散乱の断面積の絶対値を大きく左右することも予想されていおり、これら理論の予言を実験的に検証する計画が進行している。その手始め

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として、大阪大学核物理研究センター(RCNP)の実験グループと共同で、RCNPのサイクロトロンを用いた、E/A=100
MeVでの12C+12C系の弾性・非弾性散乱の測定が行われ、その 理 論 解 析 を 進 め た 。 弾 性 散 乱 お よ び 12C の 2+ 状 態(Ex=4.4MeV), 0+状態(Ex=7.6 MeV), 3-状態(Ex=9.6 MeV)への非弾性散乱の断面積が後方角まで精密に測定され、微視的相互作用を用いたチャネル結合計算の予想と非常に良い一致を示した。更に、実験グループと共同で、理化学研究所・
RIBF サ イ ク ロ ト ロ ン を 用 い て 、 よ り 高 い エ ネ ル ギ ー(E/A=200, 300, 400 MeV)での実験を行い、引力・斥力転移の検証実験を行うプロポーザルを提出した。

4. 微視的CDCC法を用いた6Li→α+d 分解過程効果の研究	
  （古本、櫻木）	  6Li→α+d 分解過程が 6Liと原子核間の相互作用へ斥力的な効果を与えることはよく知られている。しかし、これは、相互作用の虚部に現象論的を用いた分析に基づくもので、微視的相互作用に基づいてこれらを検証する課題が残されている。そこで、近年、新しく開発された複素G行列を用いた核間相互作用理論に基づく
CDCC法（離散化連続チャネル結合法）により、6Liの弾性散乱における6Li→α+d 分
解過程の効果を、E/A=100 MeVでの弾性散乱について調べ、実験データとの比較を行った。その結果、E/A=100 MeV領域では分解過程の効果は依然、斥力的であることがわかった。今後、さらにその効果のエネル
ギー依存性をしらべ、より高いエネルギーでは分解過程の効果が、斥力的ではなくなるという予想を具体的に検証していく。

教育・研究業績	
 学術論文	
 
1. T. Matsuura, T. Nakamura, and M. Arima, “πN P11 wave amplitude in the Skyrme model”,
Phys. Rev. C89, 065210 (8 pages), 2014.

	
 
学位論文	
 
修士論文	
 
	
  なし
博士論文	
 
	
  なし

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その他	
 	
 
	
 
（櫻木弘之）	
 1. 櫻木との共同研究の共著者・古本猛憲氏(一関工業高等専門学校・講師)が「第8回日本物理学会若手奨励賞」（理論核物理領域：核理論新人賞）を受賞：「高エネルギー重イオ
ン反応における光学ポテンシャルの斥力性に関する研究」（共著論文：T. Furumoto,
Y.Sakuragi, Y.Yamamoto, “Repulsive nature of optical potentials for high-energy heavy-ion
scattering”, Phys.Rev.C82, 044612(2010)の業績による。）
2. 特命副学長（2013.4.1～2015.3.31）
3. 大阪府立三国丘高校 SSH運営指導委員会委員
4. 出張授業「科目横断的な総合的な学力の必要性」	
 (2013.5.5、大阪府立三国丘高等学校
SSH研修)	
 5. 大阪大学非常勤講師（全学教育推進機構）
6. 神戸大学非常勤講師（理学部）
7. 日本物理学会	
  理論核物理領域・領域副代表(2013.4.1-2014.3.31)
8. 3rd International Workshop on "State of the Art in Nuclear Cluster Physics"(SOTANCP3), International Advisory Committee member (May 2013-May 2014)	
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