物理学教室年次研究報告2016 年度

大阪市立大学 大学院理学研究科・理学部
物理学教室

目次
序...........................................................1
2016 年度物理教室談話会 ......................................2
研究報告
物性物理学講座
超低温物理学研究室研究室.................................4
光物性物理学研究室.......................................9
生体・構造物性物理学研究室..............................11
素励起物理学研究室......................................14
電子相関物理学研究室....................................20
レーザー量子物理学研究室................................25
宇宙・高エネルギー講座
宇宙線物理学研究室......................................27
高エネルギー物理学研究室................................33
重力波実験物理学研究室..................................40
宇宙･素粒子実験物理学研究室.............................48
基礎物理学講座
素粒子論研究室..........................................52
数理物理研究室..........................................57
宇宙物理研究室..........................................61
原子核理論研究室........................................64序2016 年度理学研究科数物系専攻(物理学)・理学部物理学科年次報告をお届けする季節となりました。早いもので、21 世紀に入り既に十数年が経ち，本学の独立法人化からも既に10 年の年月が経ちました。日本及び日本を取り巻く政治・経済・安全保障は、残念ながら予断を許さない状況を呈しています。AI 等の急速な進展とも相まって、我々の 5 年後、10年後の生活を明確に想像するのは極めて困難です。大学内では荒川哲男学長のもと新体制が発足し、法人統合に向けた様々なアイデアが試作・試行されていますが、その全てが物理学科にとって俄かに受け入れられるものというわけではありません。
学科内では、原子核理論研究室の櫻木弘之教授が副学長として大学執行部に異動されました。研究科の計らいにより、２名の特任教員を配していただきました。物理学科では、過去２年間、定年退職・栄転に伴う新規採用を首尾よく実行し、教員若返り・強力化に成功しています。今年度は、宇宙・素粒子研究室に岩崎昌子准教授が着任されました。一方、これは私見かもしれませんが、近頃しばしば耳にする過去 10 年の日本の学術の停滞と決して無関係ではない形で、我々の近年の研究・教育にもイノベーションが必要かと思われる
この頃です。ここに言うイノベーションとは、1 人の人間の 1 点での成果により成し遂げられるものではなく、多くの失敗を土台にした複数の人々の継続的努力によりのみ成し遂げられるものです。
在籍教員は年々1 つずつ齢を重ねていきますが、学科には毎年元気な新入生が入ってきます。彼らを失望させない学科で有り続けることを心から願いつつ、序文とさせていただきます。
本年次報告の作成にご尽力くださいました石原秀樹教授、清矢良浩教授に感謝致します。
2016 年度（平成 28 年度）主任 糸山浩司

1

２０１６年度 物理学教室 談話会
談話会委員：森山、山本、小原

第１回 新入生歓迎談話会
講師：田越 秀行 准教授 （重力波実験物理学研究室）
題目：重力波初観測の衝撃
日時：2016 年 4 月 12 日（火）15:30 ～会場：学術情報センター１０階 大会議室
第２回 物理教室談話会
講師：岩崎昌子氏 （宇宙・素粒子実験物理学研究室）
題目：SuperKEKB 始動！－世界最高輝度の加速器で挑む標準模型を超えた物理探索実験－
日時：2016 年 6 月 15 日（水）16:30 〜
場所：学術情報総合センター1F 文化交流室
第３回 物理教室談話会
講師：郡 和範 氏 （高エネルギー加速器研究機構）
題目：Higgs vacuum metastability in primordial inflation, preheating, and reheating
日時：2016 年 10 月 19 日（水）15:00 〜
場所：理学部第４講義室
第４回 物理教室談話会
講師：David Langlois 氏 （Laboratoire APC, France）
題目：Dark energy and modified gravity
日時：2016 年 11 月 2 日（水）15:00 〜
場所：理学部第６講義室
第５回 物理教室談話会
講師：原田 融 氏 （大阪電気通信大学・工学部）
題目：２重荷電交換反応によるハイパー核生成とハイペロン混合
日時：2016 年 11 月 30 日（水）15:00 〜
場所：理学部第６講義室
第６回 物理教室談話会
講師：麻生 洋一 氏 （国立天文台重力波プロジェクト推進室准教授）
題目：重力波天文学の幕開けと今後の展望
日時：2016 年 12 月 21 日（水）16:30 〜
場所：理学部会議室2

第７回 物理教室談話会
講師：西田 昌平 氏 （高エネルギー加速器研究機構准教授）
題目：まもなく始まる Belle II 実験
日時：2016 年 1 月 25 日（水）15:00 ～場所：理学部第２講義室

3超低温物理学研究室
石川修六
矢野英雄
小原 顕
畑
徹

教 授
准教授
講 師
特任教授

木村

豊(D5)

大山勝義(M2)
小川耕平(M2)
平田拓也(M2)
野村直人(M2)
岡崎太郎(M1)
水畑博貴(M1)
虫明亮哉(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、野村、水畑）
エアロジェルと呼ばれる物質中では、エアロジェルの構成物であるシリカの細い紐が不純物として働き、液体ヘリウム３の超流動性が抑制される。圧力と温度を調整すると、バルク液体は超流動だが、エアロジェル中はノーマル液体とすることが出来る。バルク
液体とエアロジェルとの界面近傍に奇周波数クーパー対と呼ばれる新奇なクーパー対が現れ，これによって帯磁率が増大するという理論予想がある。接合界面での近接効果の一つであり、バルクの凝縮状態（超伝導、超流動）がｐ波軌道対称性をもつときに出現が予想されている普遍的な現象と考えられている。これを調べるためポロシティ97.5％の試料セルで実験を行い22bar、24barでは帯磁率の増大が観測された。シリカの細い紐表面に吸着されて出現するヘリウム3表面固体による強磁性的な磁化の効果を消失させることが重要である。ヘリウム4薄膜でシリカ紐を覆っているが、不十分のために低温で表面磁性が出現する可能性がある。薄膜の厚さを20％厚くした実験を行い、やはり帯磁率の増大を観測した。これまでの測定とともに奇周波数クーパー対の出現を強く示唆する測定結果と考えられる。

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、小川、虫明）
超流動ヘリウム４は、秩序変数が振幅と位相からなる最もシンプルな量子凝縮相である。その流れが作る渦は、秩序変数が零の状態を芯として、循環が量子化される量子渦となる。量子渦は、端がない渦輪か端が境界(壁)にある付着渦としてのみ存在するため、渦が付着する壁を振動させると、壁に沿って流れる超流動流で渦が伸張し、量子乱流へと発展する。我々は、ワイヤーの振動が生成する量子乱流から放出される渦輪のサイズ
分布と放出頻度の測定から、次のことを明らかにしている。①ワイヤー直径より小さな渦輪は、ワイヤー振動の垂直方向よりも振動方向に多く放出される。この結果は振動球が生成する量子乱流の数値シミュレーション結果とも一致し、振動物体が振動方向へ飛行する渦輪を形成しやすいことを示している。②渦輪の放出方向分布の測定から、振動方向へ放出する渦輪サイズはワイヤー直径の４倍程度に制限されるのに対し、垂直方向へはワイヤーの振動振幅程度までの渦輪が放出される。③振動方向への渦輪放出頻度は、
渦輪サイズに対して指数変化する。これらの結果は、振動物体が生成する量子乱流の状態を反映している。

3.

低温モーターの開発と超流動ヘリウム４の回転流と巨大渦（矢野、小原、大山）
流体力学は、粘性のない理想流体の流れを基礎とし、その渦についても詳しく調べられている。一方、粘性のない流体を実現する超流動ヘリウムは、その流れを作ることが難しく、理想流体の流れを実験的に研究する方法が限られている。我々は、超流動ヘリ4ウム中でも回転する低温モーターを新たに開発することで、超流動流の新分野開拓をめざしている。開発した低温モーターを用いて、次のことを明らかにしている。①円筒容器中の回転羽根は超流動ヘリウムの剛体回転流を駆動し、回転流速と羽根の回転速度が一致することを明らかにした。②超流動回転流を利用する超流動ポンプを開発し、吸い込み流によって渦管をもつ巨大な超流動渦が誘起されることを発見した。これは吸い込
み流が量子渦を集中させることを示す。③渦管の形状から、循環量子κの104～105に相当
する渦であることを明らかにした。④超流動ヘリウムより軽い固体水素微粒子（直径11µm）を用い、巨大渦のparticle tracking velocimetry（PTV粒子像追跡流速計測）を行い、渦管壁直下の流れ場を可視化した。流れは、渦管をまわりながら超流動ポンプへ吸い込まれる、らせん運動を描くことを明らかにした。⑤渦管をまわる粒子運動は、③で見積もった回転流速より遅いことを明らかにした。これは粒子運動に抗力を与える渦構造があることを示唆する。これらの結果は、超流動ヘリウムの動的状態についての新たな知見を与えるとともに、新分野開拓が期待できる成果である。
4.

回転する超流動ヘリウム３の研究（物性研，京大，福井大，岡山大との共同研究）（石川、小原、木村）
超流動ヘリウム３− A相での半整数量子渦の検出実験を行った。半整数渦の検出はNMR法で行った。これまでに、磁場を傾けて半整数渦近傍に局在するスピン波励起現象を観測する試みと、強磁場下で回転中に超流動状態へ転移させた後に低磁場へ磁場変化させて観測する試みを行ったが、半整数渦の検出には至らなかった。今年度は測定温度を超流動転移温度直下で行った。その結果、NMR共鳴周波数の回転角速度依存性に新たな振る舞いを観測した。無回転時ではラーマ-周波数より小さな共鳴周波数となる“負の周波数シフト”を示すが、回転角速度が大きいときにラーマ-周波数へ近づく振る舞いが観測された。これは共同研究者が提案した半整数渦に起因する非局在なスピン波励起によるものと定性的に一致するものである。

5.

毛細管中の超流動3He のポーラー相探索（小原、平田、岡崎）
コヒーレンス長の１０倍程度(約 1 µm)の太さの毛細管中の超流動3He では、クーパー対の運動がほとんど１次元的に制限されることで、バルクとは決定的に異なる特異な相の出現しうることが、古くから予言されていた。しかし、これまで実験上の困難から、その測定はほとんど行われてこなかった。すなわち、直径約 1 µmで均一で長い構造体が存在しなかったこと、相の同定に必要なNMRの信号強度が極小であることが解っていたからである。本年度は新奇相探索をスタートさせるにあたり、まずはNMR信号強度を増幅させる低温アンプの制作に成功した。この低温アンプは汎用性を持ち、1 MΩの高
入力インピーダンスと 1 kΩの低出力インピーダンス、１MHz 帯で動作し、0.45 mWの低発熱でありながら 30 倍の増幅率を持つ。現在までのところ、毛細管中の3He の信号の捕捉にむけて、測定システムを改良中である。

6.

熱音響冷凍機の開発（石川）熱音響冷凍機は、熱エネルギーと音波エネルギーの変換を利用した冷凍機をさす。廃熱の再利用ができること、音波媒体は空気などの安全な気体であること、機械的な可動部がないことなどから、長寿命で環境にやさしい未来型の冷凍機（エアコン）として期待されているが、エネルギー変換効率が低く、実際に利用できるレベルには来ていなかった。昨年度に引き続き、圧力センサーによる圧力時間変動データより、管内平均速度と仕事流を解析により求めた。昨年度より圧力センサーの数を増やし、さらに測定場所を増やした結果、ループ管長に沿った全体像がより詳細に得られた。作業流体として、
窒素、アルゴンとヘリウムの混合気体を用いて、無次元量ωτが2.6、2.0、1.0となるよ
うに調整した。原動機から薄膜に向かって仕事流が小さくなり、薄膜直前で急激に大き5くなる振る舞いが、全ての作業流体で観測されたがこの原因は不明である。平均断面流速は1stモードが2ndモードより早いが、圧力変動と断面流速の位相差は、1stモードより2ndモードは進行波的であり、仕事流は1stモードが2ndモードより大きいことがわかった
室温12.7℃のときに低温部は-17.5℃であり、温度差は約31℃であった。
7.

狭い平行平板間の超流動 3He の音響共鳴（小原、石川）狭い平行平板間に閉じ込められた液体の音波共鳴実験結果の解析を進めた。３種類の平行平板間 (間隔が12μm、25μm、50μm) を持つ共鳴装置で、圧力29barでの音速測定を行ったところ、B相では磁場を平板に垂直にかけるとすべての隙間間隔の音波セルで、音速が遅くなり、これが超流動ヘリウム3— B相のトポロジカル対称性に起因することを昨年度明らかにした。これに基づいて、解析を進め、磁場なし磁場ありでの超流動AB転移で音速
およびエネルギー散逸の不連続変化とB相のトポロジカル対称性との関係を明らかにした。

8.

寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原、石川）
パルス管冷凍機が高額なため、より安価なGM冷凍機を用い、操作しやすいたドライ希釈冷凍機の開発をめざし、全く新しく設計を行い、製作に入った。GM冷凍機はパルス管冷凍機に比べやや振動が大きく、振動が実際冷却に影響を及ぼすのかどうかを見るためでもある。一般に振動は発熱を引き起こすと信じられているが最低到達温度にどの程度の影響を及ぼすのかはまだ誰も調べたことがない。部品がすべて整ったので組み立てを行い、完成したところで性能テストに入る段階に来た。

教育・研究業績
学術論文
1. Control of 4He Crystal Wetting Properties in Superfluid;
T. Takahashi, H. Minezaki, A. Suzuki, K. Obara, K. Itaka, R. Nomura, Y. Okuda,
Phys. Rev. E 93, 052806(1–6) (2016)
2. Development of Cryogenic Enhancement-Mode Pseudomorphic High-Electron-Mobility
Transistor Amplifier; T. Hirata, T. Okazaki, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa,
J. Low Temp. Phys., 187, 596–601 (2017)
3. Anisotropic Formation of Quantum Turbulence Generated by a Vibrating Wire in Superfluid 4He;
H. Yano, K. Ogawa, Y. Chiba, K. Obara, and O. Ishikawa,
J. Low Temp. Phys., 187, 515–522 (2017)
解説
1. 超流動ヘリウムの量子乱流と渦放出，矢野英雄, ながれ, 35, 435–437 (2016)
国際会議講演International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2016), Clarion Congress Hotel, Prague,
Czech Republic (10–16 Aug. 2016)
1. H. Yano (Poster) Formation of Quantum Turbulence Produced by Vibrating Wire in Superfluid
4He
2. H. Yano (Poster) Observation of Axial Flow and Vortex Produced by Cryogenic Motor inSuperfluid 4He
3. K. Obara (Poster) Development of Cryogenic Enhancement-Mode Pseudomorphic
High-Electron-Mobility Transistor Amplifier.
4. H. Yano (Talk): Formation of quantum turbulence generated by vibrating wire & Observation of
axial flow and vortex produced by cryogenic motor in superfluid 4He
Osaka City University and National Taiwan Normal University Mini-Workshop, National Taiwan

6Normal University, Taipei City, Taiwan (23 Sep. 2016)
1. Y. Kimura (Talk): Half-quantum Vortex between Parallel Plates in Superfluid 3He-A
2. K. Oyama (Poster): Observation of Spiral Flow and Vortex Produced by Cryogenic Motor inSuperfluid 4He
学会・研究会講演
1. 日本物理学会 2016 年秋季大会（金沢大学，2016 年 9 月 13 日～16 日）(ア) 平田拓也 (Talk) 毛細管中 3He の核磁気共鳴実験に向けた極小コイルと低温アンプの開発 (I)(イ) 大山勝義 (Talk) 超流動 4He 回転流による渦の生成(ウ) 小川耕平 (Talk) 振動ワイヤーによる超流動 4He 量子乱流の生成機構
2. 日本流体力学会年会 2016（名古屋工業大学，2016 年 9 月 26 日～28 日）(ア) 矢野英雄 (Talk) 超流動ヘリウムの量子乱流と渦放出
3. 第 15 回低温工学・超伝導若手合同講演会（大阪府立大学 I-site なんば，2016 年 11 月 25日）
(ア) 大山勝義 (Talk) 低温回転モーターを用いた量子渦研究
4. 日本物理学会第 72 回年次大会（大阪大学，2017 年 3 月 17 日～20 日）(ア) 虫明亮哉 (Talk) 超流動ヘリウム４中の振動ワイヤーによる渦放出の異方性(イ) 木村豊 (Talk) 平行平板中超流動ヘリウム３での回転下 NMR 信号の回転速度依存性

学位論文
修士論文
1. 大山勝義：「低温モーター駆動による超流動4He流の観測」
2. 小川耕平：「超流動4He中の振動ワイヤーによる渦放出異方性と量子乱流生成機構」
3. 野村直人：「エアロジェル界面でのNMR実験と超流動3He奇周波数クーパー対探索」
4. 平田拓也：「毛細管中における超流動3He」

研究助成金取得状況
1.
2.

石川修六：共同研究 アルバック・クライオ株式会社「希釈冷凍機の開発」２１６万円
石川修六：共同研究 株式会社ジェイテクト「熱音響冷凍システムの研究（２）」９５万円
3. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（B）「超流動ヘリウム流れ場における量子渦の運動状態の研究」２０１６年度分 ２９９万円
4. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費挑戦的萌芽研究「超流動ヘリウムの定常流を駆動するポンプの開発」 ２０１６年度分 １０４万円
5. 小原 顕：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（C）
２０１６年度分 １７０万円「毛細管中における超流動3Heポーラー相の探索」

海外出張および海外研修
1. 石川修六：International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2016), 2016/8/10-18,
Clarion Congress Hotel, Prague, Czech Republic 出席・討論
2. 矢野英雄：International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2016), 2016/8/10-18,
Clarion Congress Hotel, Prague, Czech Republic 出席・発表
3. 小原 顕：International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2016), 2016/8/10-18,
Clarion Congress Hotel, Prague, Czech Republic 出席・発表
4. 石川修六：Osaka City University and National Taiwan Normal University Mini-Workshop,
2016/9/22–25, National Taiwan Normal University, Taipei City, Taiwan, 出席・討論
5. 大山勝義：Osaka City University and National Taiwan Normal University Mini-Workshop,

7

2016/9/22–25, National Taiwan Normal University, Taipei City, Taiwan, 出席・発表
6. 木村 豊：Osaka City University and National Taiwan Normal University Mini-Workshop,
2016/9/22–25, National Taiwan Normal University, Taipei City, Taiwan, 出席・発表

その他
高大連携
1. 石川修六：東海大附属仰星高校生（1年生〜3年生）へ講義（7月27日）於

大阪市大

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 (2016年8月29日～31日)

8

光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

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

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

9

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

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

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

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

その他
高大連携・地域貢献
1. オープンキャンパス・理科セミナーにて高校生向け実験講義を担当（鐘本）2. 大阪市立科学館の企画展「光とあかり」にて研究内容展示（鐘本）10生体・構造物性研究室
南後 守
杉﨑 満

江村 秀俊
産田 知寛
大井 真太郎

特任教授
准教授

(M1)
(B4)
(B4)

研究概要
1. 超解像度顕微鏡の長作動距離化を可能にする基盤技術の開発（産田，江村，杉﨑，南後）
超解像度顕微鏡法の一つとして知られるSTED (stimulated emission depletion) 法は，非常に高い空間分解能を得る新しい手法（空間分解能の理論限界が存在しない）であり，2014
度のノーベル化学賞に輝いた．STED法は従来から広く一般に使われてきた蛍光顕微鏡法の応用であるため，対物レンズと試料間の距離（作動距離）を0.1mmまで近づけ，その間をインデックスマッチングオイルで満たす必要がある．すなわち現状で高い空間分解能の画像取得をするためには，対物レンズと試料をほぼ接触させた状態で試料観測を行う必要がある．しかしながら，顕微鏡が用いられる多種多様な状況において，作動距離をこのよ
うに小さくとることができない場面にも多々遭遇する．例えば，近年よく耳にするSARSやEbolaのようなウィルスを取り扱う際には，感染拡大に対する社会不安を抑えるために密閉容器中で菌体を取り扱うことが望ましい．このような場合，顕微鏡の対物レンズを試料に接触させることは到底不可能であり，新たな手法の開発が必要となる．そこで，従来の解像度顕微鏡法では不可能であった長作動距離化を実現するための基盤技術の開発を行った．
超解像度顕微鏡観測を行う際には，大きな開口数 (NA: numerical aperture) を持つ対物レンズを用いて，高い空間分解能を実現するのが定石である．このことは，試料への照射光や信号強度を高めることにもつながり，STED法を用いるときに有利に働く．しかし同時に，開口数を大きくすることにより，対物レンズの作動距離が小さくなるという問題が発生する．このようなあい反する問題を解決するために，次のような手法を組み合わせて用いることにした．
1. 対物レンズの距離大きくするために，NAの小さな対物レンズを用いる．
2. 大きな開口数を得るために，半球状のソリッドイマージョンレンズを用いる．
今回調査を行った範囲では，20m×20mという比較的広範囲においても均一な蛍光画像の取得が可能であることが分かった．この時の対物レンズとソリッドイマージョンレンズ
の表面の間隔は約2mmであり，長作動距離化が実現できている．STED法を用いた超解像度顕微観測を行うためには，試料からの蛍光を，誘導放出過程を用いて失活させる必要があり，この効率が空間分解能を決定することとなる．標準試料となる粒径1mのクリムゾ
ンビーズにおける蛍光の失活割合を調べたところ，最大で22%となった．すなわち，本手法を用いることにより超作動距離の超解像度顕微画像取得が可能であることを示すことができた．
2. 位相制御をした可視超短パルス光を用いた光合成物質の超高速光応答（大井，杉﨑，南後）
高等植物や光合成細菌が有する光合成色素蛋白複合体においてカロテノイドは，光捕集や光保護，さらには構造安定化などの役割を担うことが知られている．光合成初期過程において，カロテノイドからクロロフィルへの超高速・低エネルギー損失での励起エネルギ
ー移動が起こることが知られており，その機構を明らかにするとともに，それを人為操作をするという試みがなされている．人為操作を行うためには，信号をモニターしながら励
起光を逐次波形成型する，という手法が用いられるが，最終的に得られる波形の物理的意

11Wavelengthh (nm)

6000

600

4000
2000

200
0

0

4
480

400

500

520

540

Wavelengthh (nm)

560

480

500

520

540

Waavelength (nm)

560

500

490

480

1.0

1
1.0

Abs.
0.8

0
0.8

Pump
0
0.6

0.6

150 fs

0.4
0.2
0
19500

0
0.4

50 fs
x 4.5
20000

0
0.2

20500

Absorbance (nomalized)

800

Intensity (arb. units)

8000

Time (fs)Time (fs)

510
0

0
2100
00

-1

Wavenumbeer (cm )味を理解することは難しいい．そこで，位相を連続続的に変化ささせた励起光光を用い，広広いスペ
クトル
ル領域で四光波混合信信号測定を行行った．光源
源には光パララメトリック
ク増幅器を用用い，自己相関法により求めたパル
ルス幅は約300fsであった
た．
左図は3つに分分割した励起起光のうち ，第1と第22パルスの時
時間遅延は0 とし，第3パ
パルスの時間遅延を順次
次変えて測定
定した過渡回
回折スペクトトルを表す．励起光のFFROG信号をを解析したところ，こののスペクトル
ル領域におけける位相変化
化は1rad以内内であった． この状態か
から励起
光を僅
僅かに負チ
チャープとすすると（中央央図），信号
号強度が減少少するととももに，スペク
クトル全
体が長波長側ににシフトする
るという現象象が見られたた．Browniann振動子モデデルを用いてて解析を行ったところ（（右図），スペクトル形
形状変化を説説明することとができるこことが分かっ
ったが応
答時間に関しては実験とのの不一致が見見られた．高高次の相互作作用を考慮すする必要がああると考えている．
3. 紅色光合成細菌
菌の光捕集系
系における光光保護機能のの動的動作機機構の解明 （杉﨑）
紅 色光合成細細菌の光合成成光捕集ア ンテナ色素
素蛋白
複合体において，カロテノイドとバク
クテリオクロロロフ
ィル分子はvan derd Waals力によって結結合することとによりタ ンパク質とと共にリング
グ構造を保 っているとと考えられている．光合成初期過過程においてて，カロテノノイド
から バクテリオ
オクロロフィ
ィルへのエネネルギー移動動は，両分子の一重項
項状態間で起起こるが，ここの際，余剰剰エネ
ルギーが発生す
すると，生物
物には有害なな三重項状態態への遷移が生じる．光合成生物
物は，光損傷傷を避けるたために
クロ ロフィルのの三重項状態
態からカロ テノイドのの三重項状態へのエネルギー伝達
達経路を用いいる．この時時間応
答はナノ秒程度度で起こると考えられてていたが，そその詳細は不明であった．過渡吸吸収法により ，紅色光合
合成細菌Rhhodobacter sphaeroides
2.4.1の周辺
sp
辺光捕集アンンテナ
LH2ににおいて，上述の三重重項エネルギ
ギー伝達の時
時定数が16.7nsであることが明らかになった
た．またLH2
2における バクテリオ
オクロロフィ
ィル分子の 配列が三重重項状
態の 生成を抑制制している可可能性があ ることを見見出した（論論文[1]）．

教育・研究業績
績
学術論文
文
1. D. K
Kosumi, T. Horibe,H
M. Su
ugisaki, R.J. C
Cogdell, and H. Hashimoto, "Photoprootection mechhanism oflighht-harvesting antenna compplex from pururple bacteria,," J. Phys. Ch
hem. B, 120 (22016) 951-95
56.

12

学会・研究会講演1. 杉﨑満，西口智也, 南後守, 天尾豊，「スペクトル分解をした-カロテンの四光波混合信号」，日本物理学会 2016 年秋季大会，金沢大学 角間キャンパス，2016 年 9 月 13 日～16 日．
2. 杉﨑満，大井真太郎, 南後守, 天尾豊，「スペクトル分解をした-カロテンの四光波混合信号 II」，
日本物理学会 第 72 回年次大会，大阪大学 豊中キャンパス，2017 年 3 月 17 日～20 日．

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.

杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「3パルス超解像度顕微鏡の開発とそれを用いた光合成
初期過程の可視化」130万円．
杉﨑満：学術振興会・挑戦的萌芽研究「透過型超解像度顕微鏡の開発とそれを用いた光合成初期過程の可視化」50万円．
杉﨑満：大阪市立大学戦略的研究費「超解像度顕微鏡の長作動距離化とカラー化を可能にする基盤技術の開発」70万円．
杉﨑満：株式会社カテラ，共同研究費「小型バイオセンサーの開発」76万円．

その他
1.

杉﨑満：International Journal of Photochemistry誌，Advisory Board Member．

13素励起物理学研究室
坪田
竹内

誠
教授
宏光 講師

湯井
井川
金井

悟志(D1)
真一(M2)
俊明(M1)

研究概要
1. 超 流 動 ヘ リ ウ ム ２ 流 体 モ デ ル の 完 全 結 合 ダ イ ナ ミ ク ス （ 坪 田 ， 湯 井 ）超流動ヘリウムの流体力学は、２流体モデルにより記述される。２流体モデルとは、1941年にLandauによって提案され、非粘性の超流体と粘性を持つ常流体が温度に依存した比で混合したとするモデルである。２流体モデルは、超流動ヘリウムや、超伝導、原子気体ボース・アインシュタイ
ン凝縮体(BEC)などの物理を理解するのに大成功をおさめた。超流動ヘリウムの場合、超流体は量子渦糸モデルで、常流体はナヴィエ・ストークス(NS)方指定で記述され、それらが相互摩擦で結ばれる。しかし、２流体の運動を連立させて解く試みはほとんど行われたことがなかった。その理由は、(1)ラグアンジュ的である量子渦糸モデルとオイラー的であるNS方程式を結びつける定式化が困難であること、(2)動機が無いこと、であった。しかし、近年、アメリカ・タラハシーの実験グループは、
正方形管内の熱対向流で常流体の速度分布の可視化に成功し、(恐らく)量子渦により強く変形した常流体速度場を観測した。これに動機づけられて、我々は、量子渦糸モデルとNS
方程式を結合させた３次元の数値計算を行った。図のように、量子渦により変形させられる常流体の挙動を得た。慶応大学との共同研究である。
2. 正 方 格 子 上 リ ド ベ ル グ ・ ボ ー ス 気 体 の 多 彩 な 基 底 状 態 (坪 田 )原子気体BECでは様々な状態での基底状態が調べられている。ほとんどの研究はデルタ函
数型の接触相互作用を用いているが、ここではリドベルグ型の長距離相互作用をもつBEC
が正方格子状に置かれた時、両者の競合で、パラメータに依存して、単結晶、多結晶、Domain
wall構造など多様な構造を持つことを明らかにした(下図)。台湾国立師範大学との共同研
究である。

14

3. 2成 分 BECの 量 子 流 体 力 学 (坪 田 、 金 井 )２成分BECは多彩な渦構造を示すことが知られている。今回は以下の二つの問題を調べた。
(1)回転下２成分BECの渦格子形成のダイナミクス：回転角速度と原子間相互作用に依存して、三角格子、四角格子、渦シートなどが生じることが知られているが、その形成のダイ
ナミクスは不明である。２種類の渦の相互作用が関与して、１成分の渦格子形成とは異なる振る舞いが見えるはずである。そのダイナミクスの研究を行い、角運動量を２成分が交換しながら渦格子を形成するというダイナミクスを見出した。この研究は、
ULT(International Conference on Ultra Low Temperature Physics、2017年8月17-21日
ドイツで開催)で発表し、Poster Awardを受賞した。(2)２成分BECの量子乱流とオンサー
ガ渦の形成：２次元乱流では、３次元乱流と異なり、エネルギーが小スケールから大スケールに流れる逆カスケードが起こり、それに伴い巨大渦(オンサーガ渦)が形成されることが知られている。この問題を２成分BECで調べた。渦間相互作用に依存して、２成分は互いにオンサーガ渦の形成を抑制することがわかった。詳細な研究を継続中である。
4. BEC に お け る ら せ ん 状 ダ ー ク ソ リ ト ン と 、 角 運 動 量の輸送（坪田、金井）
１成分BECにおいて、同心円状に置かれた二つのBECが相対角運動量を持つ時、両者を接触させるとらせん状のダークソリトンが形成され伸張し、それにより角運動量の輸送が起こるという現象を見出した(右図)。タラハシー
大学との共同研究である。
(T. Kanai,W. Guo, M. Tsubota, arXiv:1708:04518)
5. 箱 型 ポ テ ン シ ャ ル に 閉 じ 込 め ら れ た BEC の 量 子 乱 流のカスケード（坪田）
量子乱流は主に超流動ヘリウムを舞台に研究されてきたが、原子気体BECではまだ端緒についたばかりである。
近年イギリス・ケンブリッジ大学のグループは箱形ポテ
ンシャル中のBECを励起して量子乱流を作りその運動量
分 布 が き れ い な べ き 乗 則 を 示 す こ と を 観 測 し た (N.
Navon et al., Nature 539, 72(2016))。我々は、実験条件に忠実な状況でGross-Pitaevskii方程式の数値解析を行い、乱流とカスケードの発達(右図)に伴うエネル
ギーフラックスを調べ、粒子数の減衰の観測と良い一致を得た。これは、古典乱流・量子乱流を通じて、カスケードの初の直接観測と位置付けられる。ケンブリッジ大学との共同研究である。
6. 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 動 的 ス ケ ー リ ン グ 則 と
ド メ イ ン サ イ ズ 分 布（ 竹
微視的領域
巨視的領域
内）
２次元系における離散的対称性の自発的破れに伴うドメイン形成の非平衡
時間発展に関して，ドメイ
ンのサイズ分布に対する動的統計則（図参照）を提15案した．相分離する２成分超流体の数値実験によると，ドメインサイズ分布の巨視的領域
は浸透理論でよく記述され，微視的領域の臨界指数は理論的な上限値に達していることがわかった．前者は系に依らなり普遍的な振舞いを示唆している．一方，後者の振る舞いは系の微視的性質に依存し，Ising模型を用いた先行研究と比較して特異な振舞いであると言える．この特異性は量子流体力学で記述される渦シートの振る舞いによって説明される．
得られた成果は学術論文として公表し[H. Takeuchi,Domain-area distribution anomaly
in segregating multi-component superfluids, arXiv:1703.10581 (2017)]，国際会議LT28
およびULT2017で発表した．
7. 一 様 な 超 流 体 に お け る ２ 重 渦 の 分 裂 不 安 定 性 （ 竹 内 ）１成分超流体中の量子渦まわりの循環は循環
Splitting instability at?
量子κで量子化されることが知られている．
循環量子数が２以上，つまり，循環が2κ以上の量子渦は，量子数１の渦が二つ存在する状態に比べてエネルギーが高い．したがって，
量子数２の渦は散逸によって不安定化し，量子数１の２本の渦に分裂する．散逸が無視できる絶対零度近傍で量子数２の渦は安定性であろうか（図参照）．この問題は極低温における量子流体力学を記述する上で本質的に重要な問題であるにも関わらず，未だ明らかにされていなかった．この研究では量子数２の渦の動的安定性のシステムサイズ依存性を，Bogoliubov-de Gennes方程式の大規模数値計
算により調べ，絶対零度下の一様な系で不安定であることを示した．この研究は京都大学と近畿大学との共同研究である．得られた成果は国際会議ULT2017で発表した．

?

教育・研究業績
学術論文
1. Makoto Tsubota, Kazuya Fujimoto and Satoshi Yui,
Numerical Studies of Quantum Turbulence
J. Low Temp. Phys. 188, 119-189 (2017) (Invited Review Article).
2. Che-hsiu Hsueh, Wen-Chin Wu, Makoto Tsubota
Quantum crystallography of Rydberg-dressed Bose gases on a square lattice
Phys. Rev. A 95, 013631 (2017).
国際会議講演

1. Junsik Han, Makoto Tsubota
Onsager vortex formation in two-component Bose-Einstein condensates in
two-dimensional traps
ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics, August, 17 - 21, 2017 .
2. Toshiaki Kanai, Makoto Tsubota
Dynamics of vortex lattice formation in rotating two-component Bose-Einsteincondensates
ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics, August, 17 - 21, 2017 .
3. Satoshi Yui, Makoto Tsubota, Jian Gao, Wei Guo, W. F. Vinen
Decay of spatially inhomogeneous counterflow turbulence in superfluid 4He in realisticchannels
ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics, August, 17 - 21, 2017 .

16

4. Satoshi Yui, Makoto Tsubota, Hiromichi Kobayashi
Coupled dynamics of the two-fluid in superfluid 4He: deformed velocity profiles incounterflow quantum turbulence
ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics, August, 17 - 21, 2017 .
5. Hiromitsu Takeuchi
Domain-area distribution anomaly in segregating multi-component superfluids
ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics, August, 17 - 21, 2017 .
6. Hiromitsu Takeuchi, Michikazu Kobayashi, Kenichi Kasamatsu
Splitting instability of a doubly quantized vortex in homogeneous superfluids
ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics, August, 17 - 21, 2017 .
7. Hsueh C.-H., Tsai Y.-C., Horng T.-L., Tsubota M., Wu W.C.
Turbulence scaling laws across the superfluid to supersolid transition
28th International Conference on Low Temperature Physics, August 9-16, 2017
8. Han J., Tsubota M.
Onsager vortex formation in two-component Bose-Einstein condensates in
two-dimensional traps
28th International Conference on Low Temperature Physics, August 9-16, 2017
9. Kanai T., Tsubota M.
Dynamics of vortex lattice formation in rotating two-component Bose-Einsteincondensates
28th International Conference on Low Temperature Physics, August 9-16, 2017
10. Takeuchi H.
Dynamic scaling law and phase ordering percolation in multicomponent superfluids
28th International Conference on Low Temperature Physics, August 9-16, 2017
11. Yui S., Tsubota M., Gao J., Guo W., Vinen W.F.
Decay of counterflow quantum turbulence in superfluid 4He in a channel
28th International Conference on Low Temperature Physics, August 9-16, 2017
12. Tsubota M., Yui S., Kobayashi H.
Fully coupled dynamics of two-fluid model in thermal counterflow: deformation of the
Poiseuille normal fluid profile
28th International Conference on Low Temperature Physics, August 9-16, 2017
13. Makoto Tsubota, Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi (Invited)
Fully coupled dynamics of the two-fluid model in thermal counterflow in a square channel
Quantum Turbulence Workshop, Tallahassee, FL, U.S.A., April 10 - 12, 2017.
14. S.Yui, M.Tsubota, W.Guo, and W.F.Vinen
Numerical studies of decay of thermal counterflow turbulence in superfluid 4He
Quantum Turbulence Workshop, Tallahassee, FL, U.S.A., April 10 - 12, 2017.
15. M. Tsubota (Invited)
Topics of glasses in atomic Bose-Einstein condensates
Glasses and Related Nonequilibrium Systems, Osaka University, Japan, March 22-23
2017.

17

16. M. Tsubota (Invited)
Quantum Turbulence in Bose-Einstein Condensates
Topological Effects in Ultra-Cold Atoms, Federal University of Rio Grande do Norte,
Brazil, November 14-18 2016.
17. Hiromitsu Takeuchi (Invited)
Percolation during symmetry breaking phase transition in segregating binary superfluids
Quantum Science Symposium-2016, University of Cambridge, Cambridge, UK, 11. 1-2(2016)
学会・研究会講演1.

坪田誠(Invited)
Recent topics in quantum turbulence
Mini Vortex Meeting、沖縄科学技術大学院大学、2017.7.4
2.
坪田誠、湯井悟志、小林宏充
超流動ヘリウムにおける超流体 - 常流体結合ダイナミクス ー管内常流体層流の変形ー
第2回 冷却原子研究会、大阪市立大学、2017.3.16
3.
湯井悟志、坪田誠、小林宏充
管内熱対向流の量子乱流における2流体結合ダイナミクス：常流動層流の変形
日本物理学会、第72回年次大会、大阪大学、2017.3.17-20
4.
金井俊明、坪田誠
回転する2成分ボース凝縮体の渦格子形成に至るダイナミクス
日本物理学会、第72回年次大会、大阪大学、2017.3.17-20
5.
坪田誠(Invited)
量子乱流：最近の話題
研究会「第3回 量子渦と非線形波動」、東京理科大学、2016.11.9-11
6.
井川真一、坪田誠
Coflow量子乱流における新奇な渦のダイナミクス：渦のアトラクター
日本物理学会、2016年秋季大会、金沢大学 角間キャンパス、2016.9.13-16
7.
竹内宏光
2成分ボース凝縮体の相分離過程への浸透理論および動的スケーリング解析の適
用
日本物理学会、2016年秋季大会、金沢大学 角間キャンパス、2016.9.13-16
8. Che-hsiu Hsueh, Wen-Chin Wu, 坪田誠
The crystallography of Rydberg-dressed supersolid in a square lattice
日本物理学会、2016年秋季大会、金沢大学 角間キャンパス、2016.9.13-16
9.
坪田誠 (Invited)
量子乱流研究の発展
日本流体力学会、年会2016、名古屋工業大学 御器所キャンパス、2016.9.26-28
セミナー
1. Hiromitsu Takeuchi
Phase ordering percolation in segregating binary Bose-Einstein condensates
AMOP group, Cavendish Laboratory, Cambridge Univ., U.K., 11. 4 (2016)

18

学位論文
修士論文
1. 井川真一：「超流動4He中でのcoflowにおける量子乱流の数値解析的研究」

研究助成金取得状況
1. 坪田誠：科研費基盤研究(C)「量子乱流の理論的および数値的研究：乱流遷移の解明と秩序変数の同定」
80万円
2. 坪田誠：新学術領域研究(研究領域提案型)「量子流体力学のおける「ゆらぎと構造の協奏」」
150万円
3. 竹内宏光：若手研究(B)「多成分超流体における新奇な秩序化現象とその相転移動力学の確立」
60万円
4. 湯井悟志：日本学術振興会特別研究員奨励費「超流動ヘリウム4の量子乱流における２流体結合ダイナミクスの理論的研究」
90万円
5. 坪田誠：日本学術振興会 外国人招へい研究者(短期)受賞
1. 金井俊明：ULT(International Conference on Ultra Low Temperature Physics)
Poster Award高大連携・地域貢献
1. 竹内宏光
発表題目「自発的対称性の破れと量子流体」
2016 年度 市大授業， 対象：高校生，予備校生

その他
1. 竹内宏光
発表題目「能動的学びに重点を置いた授業」
第 17 回 FD ワークショップ，2016 年 9 月 29 日
2. 坪田誠(訳)
超流体中で観測された古典乱流の前ぶれ
パリティ 32, 42-44 (2017)19電子相関物理学研究室
小栗 章 教授
西川 裕規 講師
寺谷 義道 (D1)

城谷 将矢 (M2)松本 龍太 (M2)樋口 裕太 (M1)

毛見拓郎 (B4)堤 和彦 (B4)松本 雄太 (B4)

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

[1] 多数の軌道を持つ量子不純物系では、局在準位を占有する電子間のクーロン斥力、 Hund 結合、および混成する連続スペクトルを持った伝導電子チャンネル数により、SU(4) 対称性などを持った多彩な Kondo 状態や、非 Fermi 流体状態が実現される。本研究室では、多方面からこれらの系の量子相転移・クロスオーバーに関する研究を進めている：i) カーボンナノチューブ量子ドットに関して、小林研究室（大阪大学）と共同を進めている。
この系では、ナノチューブの軸回りを左右に回る電子軌道による軌道縮退のため、局在電子
軌道はスピン自由度を含めて 4 重に縮退している。高精度の非平衡電流およびノイズの測定から低エネルギーの Fermi 流体状態を特徴づけるパラメータである Wilson 比が決定され、結果は Anderson 模型に基づく理論計算とよく一致することを実験・理論の協力により明らかにした。測定に用いた量子ドットでは印加するゲード電圧に応じて SU(4) および SU(2) のどちらも実現されるが、どちらの場合もコンダクタンスおよび電流ノイズの実験とと対応する数値くりこみ群による計算結果には良い一致が見られ、低エネルギー領域における Fermi
流体的振る舞いを矛盾なく説明できることが分かった。また、局在電子軌道の占有数が 2 個の付近では SU(4) 近藤状態に磁場を印加した場合に、磁場中においてもコンダクタンスに近藤効果に特有である平坦なゲード電圧依存性が観測された。実験と理論との総合的な比較
から、観測に用いられたカーボンナノチューブ量子ドットでは軌道のゼーマン分裂とスピン
ゼーマン分裂が同程度の大きさで相殺し、磁場中でも 2 重縮退が残り得ることが分かった。
これらの結果は、実験は磁場の増大による SU(4) から SU(2) 近藤状態へのクロスオーバーを観測したものと解釈できることを示している。さらに，コンダクタンスの温度依存性に関する理論と実験の比較、およびスペクトル関数に対する理論計算を含めた総合的な検討を進
めている。

20

ii) また、2 つの伝導電子系と接続された 2 重量子ドットにおいて、2 重量子ドットの電子占
有率が 1/4 の場合を引き続き重点的に研究した。この系では、電子スピン自由度（＝ 2）と 2
重量子ドットの軌道自由度（＝ 2）の 4 つの自由度が関係する近藤効果が期待できる。この系の低エネルギー有効モデル、スペクトル密度を通して、我々は低エネルギー状態での SU(4)対称性の出現の有無をより広いパラメータ領域で考察した。その結果、もとの系にまったくSU(4) の対称性がない場合でも、SU(4) の対称性が近似的にあるようにみえる状態があることを確認した。さらに、そのような状態と真の SU(4) 対称性状態とのある種の 距離 は近藤温度でスケールされることを見出した。またこの系に関して、2 重量子ドットを通した電気伝導度の温度依存性が SU(2),SU(4) の対称性によってどのように異なるかを考察した。
近藤効果と４重量子ドット上の磁性的状態（リーブフェリ磁性と長岡強磁性）が競合する系を考察するために、孤立 4 重量子ドット系の磁性的状態を考察した。まず、この系のハミル
トニアンの行列要素をモデルパラメータの関数として陽に計算し、その結果を用いてリーブ
フェリ磁性と長岡強磁性が出現する領域を具体的に求めた。
その他、ドット間にホッピングを有する２重量子ドット系の低エネルギー有効モデルの構築、異方的フント結合を有する２重量子ドット系の量子臨界点の研究を行っている。

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

21

教育・研究業績
学術論文
1. Yoshimichi Teratani, Rui Sakano, Ryo Fujiwara, Tokuro Hata, Meydi Ferrier, Tomonori
Arakawa, Kensuke Kobayashi, and Akira Oguri, “Field-enhanced Kondo correlations in a
half-ﬁlling nanotube dot: evolution of an SU(N ) Fermi-liquid ﬁxed point”,
J. Phys. Soc. Jpn. 85, 094718 (2016) 18 pages.
2. Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaëlle Delagrange
Richard Deblock, Yoshimichi Teratani, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi,“Quantum Fluctuations along Symmetry Crossover in Kondo-correlated Quantum Dot”,
Phys. Rev. Lett. 118 (2017), 196803, 5 pages.
3. Y. Nishikawa, O. J. Curtin, A. C. Hewson, D. J. G. Crow, and J. Bauer, “Conditions forobserving emergent SU(4) symmetry in a double quantum dot”,
Phys. Rev. B 93, 235115 (2016), 14 pages.

国際会議講演
1. Yunori Nishikawa, Oliver J. Curtin, Alex C. Hewson, Daniel J. G. Crow, and Johannes
Bauer, Consideration of emergent SU(4) symmetry in a double dot APPC-AIP 2016(December 5 2016, Brisbane, Australia)
2. Akira Oguri, Masaya Shirotani, Yukihiro Nakata, Yoshimichi Teratani, and Yoichi Tanaka,“Competition between Kondo and Josephson eﬀects in a triangular triple quantum dot
connected to normal and superconducting leads”,
American Physical Society March Meeting (March 13-17 2017, New Orleans, USA).
3. Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Rui Sakano, Meydi Ferrier, Tokuro Hata, Tomonori
Arakawa, and Kensuke Kobayashi, “NRG study of ﬁeld induced crossover from SU(4) toSU(2) Kondo state in a carbon nanotube quantum dot”,
American Physical Society March Meeting (March 13-17 2017, New Orleans, USA).
4. Rui Sakano, Akira Oguri, Yunori Nishikawa, and Eisuke Abe, “Bell pair creation in currentof Kondo-correlated dot”,
American Physical Society March Meeting (March 13-17 2017, New Orleans, USA).
5. Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Rui Sakano，Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro
Hata, Kensuke Kobayashi, “Field-Enhanced Kondo Correlations in a Half-Filling Nanotube Dot”, Osaka City University and National Taiwan Normal University mini-workshop(September 23 2016, Taipei, Taiwan).
6. Ryuta Matsumoto, Akira Oguri, and Yoichi Tanaka, “Spectral properties of a Kondocorrelated quantum dot coupled to superconducting leads”, Osaka City University andNational Taiwan Normal University mini-workshop (September 23 2016, Taipei, Taiwan).

22

学会・研究会講演1. 西川裕規，O. J. Curtin，A. C. Hewson，D. J. G. Crow, J. Bauer 「2 重量子ドット系の低エネルギー状態に於ける SU(4) 対称性出現に関する条件」，日本物理学会 (2017.3.20, 大阪
大学)
2. 島田典明、西川裕規「4 重量子ドット上の Lieb フェリ磁性と近藤効果」，日本物理学会(2017.3.20, 大阪大学)
3. 西川裕規，O. J. Curtin，A. C. Hewson，D. J. G. Crow, J. Bauer 「ドット間斥力を有する 2 重量子ドット系の低エネルギー状態での SU(4) 対称性出現に関する考察」，第 35 回量子情報技術研究会 (2016.11.14, KEK つくばキャンパス)4. 磁場による SU(4) から SU(2) 近藤状態へのクロスオーバー：NRG による有限温度の解析,
寺谷義道, 小栗章, 阪野塁, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 秦徳郎, 小林研介,
日本物理学会 (2017.3. 17–20 大阪大学)
5. 2 つの超伝導リードに接続された量子ドットのスペクトル関数および Andreev 束縛状態に関する研究,松本龍太, 小栗章, 田中洋一,
日本物理学会 (2017.3. 17–20 大阪大学)
6. 超伝導/3 角形 3 重量子ドット/常伝導系の量子相転移とクロスオーバー,
城谷将矢, 寺谷義道, 小栗章, 田中洋一,
日本物理学会 (2017.3. 17–20 大阪大学)
7. 近藤効果が発現する量子ドットにおける励起スペクトル,
秦徳郎, Meydi Ferrier, , 荒川智紀, 小林研介, Raphaëlle Delagrange, Richard Deblock,Hélène Bouchiat, 阪野塁, 寺谷義道, 小栗章,
日本物理学会 (2016.9. 13–16 金沢大学)
8. カーボンナノチューブ量子ドットにおける近藤効果：スピン軌道相互作用と Hund 結合の影
響,
寺谷義道, 小栗章, 阪野塁, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 秦徳郎, 小林研介,
日本物理学会 (2016.9. 13–16 金沢大学)
9. SU(N)-M 電子 近藤 singlet 状態の局所電子分布,
小栗章, 寺谷義道, 阪野塁, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 秦徳郎, 小林研介,
日本物理学会 (2016.9. 13–16 金沢大学)
10. 局所フェルミ流体のベル相関と完全計数統計,
阪野塁, 小栗章, 西川裕規, 阿部英介,
日本物理学会 (2016.9. 13–16 金沢大学)
11. 超伝導および常伝導リードに接続された 3 角形 3 重量子ドットにおける近藤効果と Josephson
効果の競合 II,
城谷将矢, 寺谷義道, 小栗章, 田中洋一,
日本物理学会 (2016.9. 13–16 金沢大学)
12. Josephson 接合に埋め込まれた量子ドットのスペクトル関数：数値くりこみ群による研究 II,
松本龍太, 小栗章, 田中洋一,
日本物理学会 (2016.9. 13–16 金沢大学)

23

その他

学位論文
修士論文
1. 城谷将矢：超伝導および常伝導リードに接続された 3 角形 3 重量子ドットにおける量子相転移とクロスオーバー2. 松本龍太：２つの超伝導リードに接続された量子ドットの Andreev 束縛状態とスペクトル関
数に関する研究

研究助成金取得状況
1. 西川裕規 (代表)：学術振興会・基盤研究 (C) 「量子不純物系の強相関領域での量子臨界点、
クロスオーバーの普遍的振舞の研究」 78 万円
2. 小栗章 (代表)：学術振興会・基盤研究 (C) 「メゾ・ナノスケール系における量子干渉と電子間相互作用の競合に関する理論的研究」 80 万円
3. 小栗章 (分担)：学術振興会・基盤研究 (S) 「メゾスコピック系における非平衡スピン輸送の微視的理解とその制御」 90 万円

海外出張および海外研修
1. 西川 裕規：オーストラリア、2016 年 12 月 3 日〜12 月 9 日、Joint 13th Asia Paciﬁc Physics
Conference and 22nd Australian Institute of Physics Congress (Brisbane) 出席・発表
2. 小栗 章：アメリカ合衆国、2017 年 3 月 11 日〜2017 年 3 月 16 日、APS March meeting (New
Orleans) 出席・発表
3. 寺谷 義道：アメリカ合衆国、2017 年 3 月 11 日〜2017 年 3 月 19 日、APS March meeting(New Orleans) 出席・発表
4. 小栗 章：台湾、2016 年 9 月 22 日〜2016 年 9 月 25 日、台湾師範大学-大阪市立大学の物理分
野大学院生研究発表会 (台北) 出席
5. 寺谷 義道：台湾、2016 年 9 月 22 日〜2016 年 9 月 25 日、台湾師範大学-大阪市立大学の物理分野大学院生研究発表会 (台北) 出席・発表

その他

24

レーザー量子物理学研究室
井上慎
教授
加藤宏平 特任助教

二村亮(M1)

関亮祐(B4)
長谷秀秋(B4)
内村祐也(B4)

研究概要
1. 冷却混合原子気体を用いたエフィモフ共鳴の観測 (加藤、井上)
昨年度得られた極低温原子分子混合系におけるエフィモフ共鳴の解析結果を整理し、
arXivに発表(arXiv:1610.07900)するとともに、Physical Review Letters誌に投稿し、受理された(出版は2017年度)。論文題目は"Isotopic shift of atom-dimer Efimov resonances in K-Rb
mixtures: Critical effect of multichannel Feshbach physics". 論文の主眼は、異なる原子種の混合系において、エフィモフ共鳴の同位体シフトを世界で初めて観測するとともに、理論計算と比較してその起源を明らかにした、というものである。理論計算は共著者である
カンザス大学のWang博士、米国国立標準研究所(NIST)のJulienne博士に依頼した。主な解析は昨年度行っていたが、投稿に際して以下の変更が行われた。(1)これまで無視してきた分子間の非弾性散乱の効果を解析に含めた。 (2) Wang, Julienne両博士の意見に従い、
41
K-87Rbのフェッシュバッハ共鳴を共鳴の強さ(sres)と背景散乱長(rbg)で代表することを止め、"multichannel Feshbach physics"を前面に強調した。これは41K-87Rbのフェッシュバッハ
共鳴では２つの共鳴が重なっているため、細い共鳴に対する背景散乱長を正確に決めることが困難なためである。
2. 大阪市大における冷却原子生成装置の整備（加藤、井上）
東京大学工学部より移管した装置の設置を行なった。4月から12月にかけて光学素子約400個(光学定盤２枚分)の調整を終了し、年明けからはベーキングをして10^(-11)Torrを超す超高真空を復活させた。

図：整備中の実験室のパノラマ写真（実験室入り口付近から撮影）
3. 干渉フィルターを用いた外部共振器型半導体レーザーの製作（二村、加藤）
近年、干渉フィルターを用いた外部共振器型半導体レーザーの進展が著しい。この新型のレーザーを、既成の光学マウントを組み合わせて安価に作成する方法を開発した。また、
このタイプのレーザーは構造上、従来の外部共振器型半導体レーザーに比べて振動による外乱の影響を受けにくいと期待される。レーザーを原子の共鳴線にロックした状態で振動
環境下において実験し、実際に振動に対して頑丈なことを示した。
4. 共振器を用いた半導体レーザーの線幅評価（関、長谷、加藤）
共振器を用いて周波数揺らぎのスペクトルを取得し、その強度から得られる線幅の値と、２台のレーザーのビートから線幅を得る従来の方法との整合性を評価した。今回の実験ではビートから得られる線幅の方が大きいことが示され、低周波ノイズの影響であると結論された。

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教育・研究業績
国際会議講演
1. S. Inouye (invited): "A New Tool for Precision Measurement: Ultracold Molecules", Okinawa
School in Physics: Coherent Quantum Dynamics, 2016年9月27日, 沖縄科学技術大学院大学(OIST)
学会・研究会講演
1. 加藤宏平, Yujun Wang, 小林淳, Paul S. Julienne, 井上慎：「K-Rb混合系の原子・分子散乱におけるエフィモフ共鳴の同位体シフト」日本物理学会 第72回年次大会、大阪大学
その他
1. 井上慎：「絶対零度への挑戦」

2016年8月6日

大阪市立大学理学部

体験講義

海外出張および海外研修
1.

井上慎：大韓民国ソウルCOEX会議場、2016年7月24－29日、The 25th International Conferenceon Atomic Physics (ICAP 2016) 出席

その他
1.
2.

井上 慎：平成28年度 科研費審査委員表彰
井上 慎：大阪府立大手前高校SSHにて研究指導 (2017年2月4日)

26

宇宙線物理学研究室
荻尾彰一（教授）
大嶋晃敏（客員准教授） 佐原涼介（M1）高木芳紀（M1）
常定芳基（准教授）
Rosa Mayta（M2）
BokKyun Shin（博士研究員） 大野木瞭太（M2）織田浩之（B4）
林嘉夫（名誉教授）
岸上翔一（M2）
尾村勇吾（B4）
小島浩司 （客員教授）
高橋優一（M2）
藤田慧太郎（B4）

研究概要
1. 宇宙線望遠鏡実験 (Telescope Array 実験、TA 実験)（荻尾、常定、大野木、岸上、高橋、佐原、高木、藤田）エネルギー 1018 eV 以上の「超高エネルギー宇宙線」をターゲットとした国際共同研究で、この宇宙における最も激烈な粒子加速現象の起源を解明することを目的とし、米国ユタ州の砂漠に建設された有効検出面積約 700 km2 の北半球最大の装置を用いて 2008 年 3 月から定常観測を行っている。
宇宙線は荷電粒子であるため宇宙空間では磁場の影響を受けるため直進せず、地球への到来
方向から起源天体の方向を同定することが難しいが、最高エネルギー領域宇宙線は直進性が高いため、高統計での観測を行えば宇宙線到来方向分布の「異方性」が見えてくることが期
待されている。これまでの TA 実験の７年分の観測データを用いた解析では、宇宙のある領域において宇宙線の到来数が他と比べて有意に多い「ホットスポット」の存在が示唆されており、観測データのさらなる蓄積と解析が進められている。
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。 データ解析を推し進めるほか、観測シフトや検出器の安定稼働のための作業にも積極的に参加している。2016 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

(a) 米国製大気蛍光望遠鏡のためのデータ解析プログラムの開発（大野木）(b) 空気シャワー最前面の粒子到来時間の解析（高木）(c) 大気蛍光発光効率測定用線形加速器 ELS のデータ解析 (Shin)
その成果は京都で行われた国際会議 UHECR2016 で報告された。

2. TA×4 実験、TALE 実験（荻尾、常定、岸上、高橋、佐原、織田）
前述のように、宇宙線の起源天体を直接同定するためには、高統計、すなわち観測データの蓄積が最も重要である。そのため、TA 実験 の有効検出面積を４倍に拡大する 「TA×4 計
画」 が提唱され、2015 年度に予算が認められた。今年度は TA×4 実験の基本仕様、検出器仕様を確定し、検出器の心臓部となる光電子増倍管、シンチレータ、波長変換ファイバなどを調達し、検出器製作が始まった。
また同時に、TA 実験の感度を 1017 eV 以下に拡張し、1017 eV から 1020 eV までの 4 桁におよぶ広いエネルギー範囲での宇宙線のエネルギースペクトルと化学組成の精密測定を目指す「TALE 計画」が立案され、2015 年度に予算が認められた。
本研究室は TALE 実験の代表研究機関であり、2016 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

(a) TA×4 実験、TALE 実験の両方で使われる地表検出器用エレクトロニクスの開発と TA
実験サイトにおける試験観測（高橋、佐原）。
(b) TALE 実験地表検出器アレイのためのデータ解析プログラムの開発（岸上）。
その成果は京都で行われた国際会議 UHECR2016 で報告された。

27

3. TA 実験サイトにおけるチェレンコフ光観測：NICHE 実験（常定、尾村）
TA 実験で観測対象としている最高エネルギー宇宙線は、銀河系内にはその起源となりうる
ような天体（エネルギー 1018 eV にまで粒子加速が可能な天体）が見当たらず、その起源は銀河系外にあると考えられている。一方、数としては圧倒的に多いそれ以下のエネルギーの宇宙線の起源は銀河系内にあると考えられており、例えば超新星残骸における粒子加速が有効に働くという理論予測は大方の研究者から支持されている。ただし銀河系内天体が宇宙線をどこまで加速することができるのかという問題は未解決であり、「低エネルギー = 銀河系
内、高エネルギー = 銀河系外」という現在の理解はどこに境界があるのかはっきりしていない。これを解決する鍵になるのは、宇宙線の原子核組成の解明であり、銀河系内天体であれば電荷が大きく加速されやすい重い原子核が多いはずであるが、銀河系外起源であれば長い距離を伝播する間に破砕反応によって壊れてしまい軽い原子核が多いと考えられている。
これを観測的に決定するために、TA サイトに低エネルギー宇宙線観測に適した「空気チェレンコフ光検出器」を設置するのが本研究で進める NICHE 実験である。2016 年度は検出器が設置され、試験データを取得した。 その成果は京都で行われた国際会議 UHECR2016 で報告された。
4. 国際会議 UHECR2016 の主催
超高エネルギー宇宙線の観測的研究を主題とした国際会議が、2010 年より隔年で開催されている。第１回の 2010 年は名古屋、第２回は 2012 年に CERN、第３回は 2014 年で米国ユタ州
Springdale、そして第４回は 2016 年 10 月に京都（京都リサーチパーク）で開催された。当研究室はホスト大学としてこれを主催した。国内外 100 名の研究者（うち海外から 15 カ国 59 名）が集まり、招待講演、一般講演とポスター発表が行われた。https://indico.cern.ch/event/504078/

5. 国際宇宙ステーションにおける宇宙線観測（常定）
全宇宙線フラックスのうち約 1% は電子・陽電子成分が占める。高エネルギーの電子・陽電子は銀河磁場中ではシンクロトロン放射によりすみやかにエネルギーを失うため、もし地球で高エネルギーの電子・陽電子が観測されれば、その起源天体は地球の近傍に存在しているはずである。宇宙線の加速源として超新星残骸が有力視されていることを考え合わせると、地球で観測される高エネルギー電子の起源は「若くて近傍」の超新星残骸に限られることになり、候補天体はかなり絞られる。したがって宇宙線の起源天体同定は、原子核成分よりもまず電子成分でなされるかもしれない。このような動機のもと、宇宙線電子成分の検出器に最適化された検出器 CALET (CALorimetric Electron Telescope) の開発が行われ、2015
年 8 月 19 日に種子島宇宙センターから H-IIB ロケット５号機 (HTV5) によって打ち上げられ、国際宇宙ステーション (ISS) の日本実験施設「きぼう」に設置され、観測が始まった。
打ち上げ 90 日までのデータを用いての “Minimum Success Criteria” として設定されていた 1GeV - 1TeV の電子、ガンマ線、および 100GeV までの宇宙線原子核成分の観測とエネ
ルギー決定には成功し、定常運用フェイズに入った。ガンマ線バースト現象を捉えるための専用検出器 (CGBM) も順調に稼動しており、データ解析が進められている。また 2015 年
12 月に LIGO によって検出された重力波イベントについて、ガンマ線信号が同時に検出されていたかどうかを調べる解析も行われた。結果的に重力波イベントに同期したガンマ線イ
ベントは発見されなかったが、その結果は学術誌に掲載された。

6. 南米ボリビアの高地における宇宙線観測（常定、小島、大嶋、荻尾、Mayta）
エネルギーが 1015∼16 eV 程度の宇宙線は、エネルギースペクトルに折れ曲がりが存在し、さらに銀河系内の超新星残骸などにおける加速の最高エネルギーと考えられていることもあって非常に重要なエネルギー領域である。このエネルギーの宇宙線は地表（海抜 0m）には到達しないため、高山で観測を行う必要がある。この実験は南米アンデス山脈の 5000m 級の山において宇宙線を観測するもので、ボリビア・ラパスから近いチャカルタヤ山宇宙線観測所で行われてきた。実験は 1960 年代から行われていたが、装置の老朽化、人的資源の枯渇などにより 2015 年にいったん打ち切ることが決定された。その上で、新たに東京大学宇宙線研究所、神奈川大学、日本大学などの研究者が加わり、チャカルタヤ山中腹の高度 4800m の28

高原において新たな宇宙線観測プロジェクトを立ち上げることが現地のサンアンドレス大学
とも合意された。全メンバーの投票によって、プロジェクト名は ALPACA と決定した。この実験では、宇宙線原子核成分のみならず、宇宙ガンマ線を捉えることを目的としている。
ガンマ線は原子核や電子成分とは異なり宇宙磁場の影響を全く受けずに直進するので起源天体を同定できる可能性が高い。この実験の強みは、高度 4800m というガンマ線観測所としては世界最高高度に位置する装置を南半球に設置することにあり、銀河中心を含む我々の銀河系の広い領域を見渡しガンマ線観測を行うことにある。2016 年度には検出器設置場所の取得が完了し、物品輸送が始まっている。装置建設は 2017 年度後半より始まる予定である。

7. インド・ウーティにおける空気シャワーアレイを用いた宇宙線・ガンマ線観測（小島、林、大嶋）
本研究室とインド・タタ基礎研究所による、日印国際共同実験「GRAPES-3 空気シャワー実験）では、インド・タミルナドゥ州の Ooty（標高 2,200 m）において地表空気シャワー
観測装置を展開し、2000 年 3 月から 10 TeV 以上の銀河宇宙線の観測を行っている。本研究の目的は、高エネルギーの宇宙線・ガンマ線観測による超高エネルギー天体現象の研究、一次宇宙線の化学組成解析やガンマ線源探索である。一昨年より新型の時間情報記録回路の導入、及び検出器間の相対時刻の校正回路の適用により、空気シャワー観測の精度向上を進めている。また、ミューオン検出器増設のために、昨年度より引き続き（2015 年 10 月 29 日
∼2016 年 10 月 13 日）、林がインド・ウーティにおいて指揮をとり、これまでに約 2000 本の比例計数管が完成した。あわせて、新型フロントエンド回路の開発が進行中である。

8. インド・ウーティーにおける大面積ミューオン検出器を用いた宇宙線観測（小島、林、大嶋）GRAPES-3 のミューオン検出器の高統計かつ角度決定能力を活用し、70 GV 程度の低エネル
ギー銀河宇宙線の長期連続観測を通して太陽圏内の研究を行っている。名古屋大学宇宙地球環境研究所の研究助成により、タタ基礎研究所から S.K.Gupta 氏と P.K.Mohanty 氏を日本に招待し、日印共同研究の強化について議論を行った。共同研究者である大阪市立大学の川上三郎と中部大学の柴田祥一が、2016 年 3 月 5 日 ∼3 月 15 日にタタ基礎研究所（Mumbai）に滞在し、宇宙線の拡散係数を GRAPES-3 ミューオン検出器のデータを用いて推定した論文について打ち合わせを行った。

教育・研究業績
著書なし

学術論文
1. Y. Muraki et al.: “Simultaneous Observation of Solar Neutrons From the ISS and High
Mountain Observatories in Association with a Flare on July 8, 2014”, Solar Physics, 291,
1241-1265 (2016)
2. R.U. Abbasi et al.: “The energy spectrum of cosmic rays above 1017.2 eV measured by
the fluorescence detectors of the Telescope Array experiment in seven years”, Astroparticle
Physics, 80, 131-140 (2016)
3. IceCube, Auger and Telescope Array collaborations: “Search for correlations between thearrival directions of IceCube neutrino events and ultrahigh-energy cosmic rays detected by
the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array”, JCAP, 2016, 037
4. O. Adriani et al.: “CALET UPPER LIMITS ON X-RAY AND GAMMA-RAY COUNTERPARTS OF GW151226”, Astrophys. J. Lett., 829, L20 (2016)
5. R.U. Abbasi et al.: “First Upper Limits on the Radar Cross Section of Cosmic-Ray Induced
Extensive Air Showers”, Astropart. Phys., 87, 1-17 (2016)29

6. R.U. Abbasi et al.: “Search for EeV Protons of Galactic Origin”, Astropart. Phys., 86,
21-26 (2016)
7.

Transient Weakening of Earth s Magnetic Shield Probed by a Cosmic Ray Burst ,Phys.Rev.Lett., Vol.177, 171101(2016)

8.

Fast fourier transform to measure pressure coeﬃcient of muons in the GRAPES-3 experiment , Astroparticle Physics, Vol.79, (2016) 2330

国際会議会議録
1. なし

国際会議講演
1. 常定芳基：“Measurement of air shower maxima and p-Air cross section with the Telescope
Array”, QCD At Cosmic Energies VII, ギリシャ・ハルキダ、2016 年 5 月 18 日
2. 常定芳基：“NICHE: Non-Imaging Cherenkov Light Observation at the TA Site”, UHECR2016,
京都リサーチパーク、2016 年 10 月 11 日-14 日
3. 高橋優一：“Development of the new DAQ system for the SD array of TAx4 and TALE”、
UHECR2016, 京都リサーチパーク、2016 年 10 月 11 日-14 日
4. 荻尾彰一：“Telescope Array Low energy Extension: TALE”、UHECR2016, 京都リサーチパーク、2016 年 10 月 14 日
5. BK. Shin：“Calibration of Photo-multiplier Tubes in Fluorescence Detectors of the Telescope Array”、UHECR2016, 京都リサーチパーク、2016 年 10 月 14 日学会・研究会講演
1. BK. Shin：“The UHECR detector calibration using Electron Light Source”, 日本物理学会
2016 年秋季大会 宮崎大学
2. 荻尾彰一：「TA 実験 288：TALE 実験地表検出器全体報告 (1)」日本物理学会
大会 宮崎大学

2016 年秋季

3. 小島浩司：「大面積高精度 muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究 (18)」日本物理学会 2016 年秋季大会 宮崎大学
4. 佐原涼介：「TA 実験 294：TALE 実験全体報告」 日本物理学会 第７２回年次大会 大阪大学
5. 尾村勇吾：「TA 実験 296：jNICHE - TA サイトにおけるチェレンコフ観測へ向けて」 日
本物理学会 第７２回年次大会 大阪大学
6. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 実験拡張計画の進捗報告」 日本物理学会 第７２回年次大会 大阪大学
7. 大嶋晃敏：「大型ミューオンテレスコープによる銀河宇宙線強度の観測」平成 28 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会 2016 年 12 月 9 日
8. 常定芳基：「ボリビア・チャカルタヤ山宇宙線観測所における高エネルギー γ 線・宇宙線観測のための空気シャワー実験」平成 28 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会
2016 年 12 月 10 日
9. 常定芳基：「Bolivian Air Shower Joint Experiment1961-2015：その研究の歴史」、Sub-PeV
ガンマ線研究会、東京大学宇宙線研究所、2016 年 8 月 8 日
10. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 実験 - 南インドにおける空気シャワー観測」、Sub-PeV ガンマ線研
究会、東京大学宇宙線研究所、2016 年 8 月 8 日

30

11. 荻尾彰一：「Review of AS experiments」、Sub-PeV ガンマ線研究会、東京大学宇宙線研究所、2016 年 8 月 8 日
12. 大嶋晃敏：「Current Status of the expansion for the GRAPES-3 project」, 大嶋晃敏, 柴田
祥一, 小島浩司他, 平成 28 年度 ISEE 研究集会、太陽圏シンポジウム「内部太陽圏プラズマ研究会」および「太陽地球環境と宇宙線モジュレーション」「太陽圏・宇宙線関連の共同研
究成果報告会」

その他
1. 荻尾彰一：2016 年 11 月 7-9 日 神戸大学大学院理学研究科 集中講義「宇宙線物理学」（１
単位）
2. 荻尾彰一：2016 年 7 月 15 日 大阪市立東高校 SSH レクチャー（出張講義）
3. 荻尾彰一：2016 年 9 月 1 日 西宮市立西宮高校模擬講義（出張講義）
4. 常定芳基：2016 年 7 月 2 日 大阪府立大手前高校 SSH にて研究指導

学位論文
修士論文
1. 大野木瞭太：「テレスコープアレイ実験大気蛍光望遠鏡のためのイベント再構成ソフトウェアの開発と Middle Drum ステーション望遠鏡の性能評価」
2. 高橋優一：「TALE 実験地表検出器のための新規データ収集システムの開発」
3. 岸上翔一：「TALE 地表検出器のためのジオメトリ決定手法の研究およびモンテカルロシミュ
レーションによる精度評価」
4. Rosa Mayta: 「OCU 空気シャワー実験用データ収集システムとデータ解析プログラムの
開発」

博士論文
なし

研究助成金取得状況
1. 荻尾彰一：日本学術振興会・基盤研究 (S)「広エネルギー領域の精密測定で探る超高エネル
ギー宇宙線源の進化」(H15H05741A)、代表、1,783 万円
2. 荻尾彰一：日本学術振興会・特別推進研究「拡張テレスコープアレイ実験 - 最高エネルギー
宇宙線で解明する近傍極限宇宙」(H15H05693A)、分担、1,510 万円
3. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用費 「TALE 実験用地表検出器の開発と性能試験」、代表、45 万円
4. 常定芳基：日本学術振興会・若手研究 (A)「銀河系・系外宇宙線のエネルギー境界の確定と宇宙線起源論」(26707011)、代表、340 万円
5. 常定芳基：日本学術振興会・特別推進研究「拡張テレスコープアレイ実験 - 最高エネルギー
宇宙線で解明する近傍極限宇宙」(H15H05693A) 、分担、1,070 万円
6. 常定芳基：東京大学宇宙線研究所共同利用費 「ボリビア・チャカルタヤ山宇宙線観測所における高エネルギーγ線・宇宙線観測のための空気シャワー実験」、代表、200 万円
7. 小島浩司：名古屋大学宇宙地球環境研究所国際研究助成

56 万円

8. 大嶋晃敏：名古屋大学宇宙地球環境研究所共同研究助成

7 万円

9. 大嶋明敏：名古屋大学宇宙地球環境研究所 International Joint Research
10. 大嶋晃敏：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費

31

44 万円

61 万円

海外出張および海外研修
1. 常定芳基：ギリシャ・ハルキダ、国際会議 “QCD at Cosmic Energies VII” にて講演、2016
年 5 月 14 日-5 月 20 日
2. BK. Shin：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、線形加速器による大気蛍光望遠
鏡の較正、2016 年 5 月 15 日-6 月 15 日
3. 荻尾彰一：テレスコープアレイ実験全体ミーティング、ユタ大学、2016 年 7 月 8-13 日
4. 佐原涼介：テレスコープアレイ実験全体ミーティング、ユタ大学、2016 年 7 月 8-13 日
5. BK. Shin：テレスコープアレイ実験全体ミーティング、ユタ大学、2016 年 7 月 8-13 日
6. 岸上翔一：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、大気蛍光望遠鏡較正および宇宙線観測実施、2016 年 7 月 25 日-8 月 26 日
7. BK. Shin：米国スタンフォード大学 SLAC、2016 年 7 月 23-8 月 2 日
8. BK. Shin：米国スタンフォード大学 SLAC、2016 年 9 月 21-28 日
9. 高橋優一：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、新型エレクトロニクスによる試
験観測、2016 年 10 月 16 日-11 月 16 日
10. 佐原涼介：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、新型エレクトロニクスによる試
験観測、2016 年 10 月 16 日-11 月 16 日
11. BK. Shin：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、大気蛍光望遠鏡較正および宇宙線観測実施、2016 年 11 月 27 日-2017 年 1 月 12 日
12. 佐原涼介：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、新型エレクトロニクスによる試
験観測、2017 年 2 月 3-27 日
13. BK. Shin：韓国物理学会、2017 年 3 月 7-15 日
14. 高木芳紀：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、大気蛍光望遠鏡較正および宇宙線観測実施、2017 年 1 月 9-2 月 10 日
15. 常定芳基：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、NICHE 検出器設置と観測、2017
年 2 月 19 日-3 月 26 日
16. 林嘉夫：タタ基礎研究所（Ooty） 2015 年 10 月 29 日 ∼2016 年 10 月 13 日

その他
1. 荻尾彰一：CRC（宇宙線研究者会議）実行委員
2. 荻尾彰一：CRC 将来計画検討小委員会委員長
3. 荻尾彰一：日本物理学会大阪支部役員（会計担当）
4. 荻尾彰一：日本物理教育学会近畿支部庶務理事
5. 荻尾彰一：国際会議 “UHECR2016” LOC
6. 常定芳基：国際会議 “UHECR2016” LOC

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高エネルギー物理学研究室
清矢 良浩 教 授
山本 和弘 准教授

金
賢一 (D1)
手島 菜月 (D1)原田
潤 (M2)
古谷 優子 (M2)東佑真 (M1)
井上翼 (M1)
森本 史明 (M1)

久木田 直哉 (B4)田中慎也 (B4)
吉中晴香 (B4)

研究概要
1. 陽子・反陽子衝突型加速器を用いた素粒子実験（清矢，山本）
米国フェルミ国立加速器研究所の陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用素粒子検出器
CDFによって得られた実験データの解析を引き続き遂行した．データ取得自身は2011年9月末に終了しており，解析に使用できるデータ量は最終的に10fb−1である．今年度の主な成果の一つとして，新しい種類のヒッグス粒子を探索する解析結果が論文として公開されたことが挙げられるので，その内容を簡単に報告する．複数種類のヒッグス粒子を仮定する動機としては例えば，それらが関与する相互作用の中に CP 対称性を破る新たな効果を導入することができ，宇宙における物
質・反物質の非対称性を説明し得ること等がある．多数のモデルが提案されている中で今回，我々が探索したヒッグス粒子（ℎ𝑓 と表す）は，標準模型ヒッグス粒子とは異なりフェルミ粒子と相互作用しない性質をもち，また LHC で発見された標準模型ヒッグス粒子と考えられる新粒子よりも質量が小さく，これまでにないユニークな探索内容となっている．着目した生成・崩壊過程を
図 1 に示す．ちなみにこの反応過程を用いた探索は世界初である．これからわかるように少なくとも3つの光子（γ）を含む事象を用いて探索することが可能である．図 2 は，そのような選別により残った事象において，横エネルギー（陽子・反陽子ビーム軸に垂直な面内に射影した粒子のエネルギー成分）が最も大きな光子と 2 番目に大きな光子によって得られる横エネルギーの和の分布を示したものである．重い粒子が生成されればこれらの値は大きくなると期待される．明ら

図 1: 陽子・反陽子衝突においてフェルミ粒子と相互作用しないヒッグス粒子（ℎ𝑓 ）が生成・崩壊する過程を表しているファイ
ンマンダイアグラム．時間軸は右向きで，左側が衝突前の粒子，右側が生成粒子である．一番左側にあるのが陽子あるいは反陽子内のクォーク・反クォーク．中間状態には 𝑊 ボソンや理論モデルがその存在を仮定する荷電ヒッグス粒子が介在している．

図 2: 横エネルギー（本文参照）が最も大きな光子と 2 番目に大きな光子から得られた横エネルギーの和の分布．黒点はデー
タ，色がついている分布は様々な背景事
象，白い分布はある特定の質量を仮定した場合に期待される新粒子生成事象による寄与．

33

図 3: 新しい種類のヒッグス粒子探索解析の結果，排除されたヒッグス粒子の質量領域．横軸は中間状態に登場する荷電ヒッグス粒子の質量，縦軸は直接探索しているヒッグス粒子の質量．荷電ヒッグス粒子の方が重いと仮定しているため，左上の領域は解析対象外である．赤い線で囲まれている領域が今回の解析で排除された領域，点線はモンテカルロシミュレーションによって得られる排除領域の予想，黄色と緑色は，解析における様々な不定性により排除領域の境界がどの程度ゆらぐかをそれぞれ 1σ と 2σ の場合に対して描いたもの．

かに統計が十分とはいえない状況ではあるが背景事象と矛盾が無い分布になっており，このことから新粒子の生成頻度に上限を与えることができる．生成頻度は粒子の質量に依存するため，探索結果と矛盾が無い質量領域へと翻訳することができる．図 3 にその結果を示す．ある程度の広い領域に制限を与えることができたことがわかる．

2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本，金，原田，東，井上，久木田，田中，吉中）T2K 実験を始めとするニュートリノ物理の実験的研究を継続した．今年度の 5 月半ばまではミューオン反ニュートリノ（𝜈̅𝜇 ）ビームモードでデータ取得を継続し，その後はミューオンニュー
トリノビームモードに切り替えてデータ取得を行った．反ニュートリノモードのデータ総量は約8 × 1020 POT （Protons On Target：パイオン生成標的に照射した陽子数）となり，一方ニュート
リノモードについては 2017 年 3 月末の時点において約14 × 1020 POT に到達し 1021 の大台に乗った．反ニュートリノ全データの内 4.01 × 1020 POT を用いた振動解析を昨年度行い，反ニュートリノ振動現象に対する T2K 初の結果として今年度に論文として公開した．図 4 にスーパーカ
ミオカンデで検出され再構成された 𝜈̅𝜇 のエネルギー分布を示す．図 5 に反ニュートリノに対する振動パラメータ測定結果を示す．他の実験の測定結果や T2K のニュートリノに対する測定結果と矛盾は無いことがわかる．
ニュートリノ振動解析における系統誤差を抑制するために，新しい前置検出器 WAGASCI（WAter-Grid-And-SCIntillator）の開発・研究を行っており，今年度も継続した．この検出器はプ
ラスチックシンチレータを格子状に組み上げた構造をしており，入射ニュートリノビームに対して大角度に散乱する事象の検出効率が高い．検出器モジュールごとに格子の中に入れる物質を，
例えば水やプラスチック等と変えれば，ほぼ同じフラックス特性を持つニュートリノビームを用いた高精度の断面積比を求めることが可能となる．今年度は，図 6 に示すようにプロトタイプモ
ジュールが完成し，それを前置検出器ホールに設置した（金・原田）．これに水を注入し，まず宇宙線を用いて動作確認を行った．プロトタイプモジュールのすぐ後ろには，ニュートリノ散乱によって生成されるミュー粒子を同定するために INGRID と呼ばれる既存の鉄標的モジュールが配置してある．水モジュールと鉄モジュールにおいて再構成された宇宙線の飛跡を比較検討し，順調に稼働していることが確認された（原田）．その後，ニュートリノビームデータ取得を開始
し，10 月には図 7 に示すようにニュートリノビームによる初の散乱事象を確認した．また，実機製作にも取りかかった．1500 本のシンチレータに対して波長変換ファイバーの接着・反射材塗布，クロストーク抑制のための黒塗料塗布，光量測定等の品質管理を組織的に行い，年度内に大34

量生産を終えることができた（金・東・井上）．さらに，新たに製作するミューオン飛程測定器
で使用されるプラスチックシンチレータの光量測定に向けて，新型の半導体光検出器 MPPC の基
礎特性を 4 年生に測定してもらった（久木田，田中，吉中）．

図 5: 𝜈̅𝜇 振動パラメータの測定結果．横軸は混合角，
縦軸は質量の 2 乗差．黒点は今回のベストフィットの値．黒い点線と実線はそれぞれ 1σ と 90% (1.6σ)に対応する統計的信頼度の領域．

図 4: スーパーカミオカンデで検出・再構成された𝜈̅𝜇のエネルギー分布．下側はニュートリノ振動が無いと仮定した場合に対する観測データの比．黒点はデータ．色付きのヒストグラムは，モンテカルロシミュレーションによって得られた，様々なニュートリ
ノ散乱過程に対して期待される分布．点線は振動パ
ラメータのベストフィットに対応する分布．

図 6: 完成したプロトタイプモジュール．格子状に組んだプラスチックシンチレータと水平あるいは鉛直方向に並べられたプラスチックシンチレータを交互に並べた構造をしている．このモジュール全体をタンク内に設置し水を注入する．

図 7: プロトタイプ水モジュールで検出された最初のニュートリノ反応事象．ニュートリノは左方から入射する．散乱で生成されたミューオンの飛跡を再構成していると考えられる．

35

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，手島，古谷，森本）
原子に束縛されたミュー粒子が電子に直接的に転換する過程，いわゆるミュー粒子・電子転換
過程，を探索する実験 DeeMe の立ち上げを引き続き遂行した．今年度は，実際の実験において電子を検出するために使用されるガス飛跡検出器 Multi-Wire Proportional Chamber（MWPC）の実機 4 台が完成した．図 8 にその内の 1 台を示す．ミュー粒子生成標的に陽子が衝突する際に発生する大量の荷電粒子（プロンプトバースト）による MWPC の飽和を回避し，かつプロンプト
バースト直後の遅延タイミングで飛来する信号電子を検出するための革新的技術である HV スイ
ッチング機構の開発を，これらの実機を用いて継続した．開発の課題としては，スイッチングに起因する大きなノイズによって引き起こされるアンプ出力の不感時間を 1 μ秒以下に抑えること等がある．新たに製作した高速 HV スイッチングモジュールを使用し，アンプ内のポールゼロ補償回路の抵抗を調整しながらテストパルスに対する応答を調べた結果を図 9 に示す（手島）．
スイッチング後約 800 ns で動作可能になっていることが確認された．
運動量測定用電磁石の磁場マップは，サンプリングした位置における測定結果を基に詳細な計算磁場マップを作製して得られる．計算磁場マップが実際の磁場マップと系統的にずれていた場
合の運動量測定への影響を調べたところ，運動量の値に対する影響は小さく，より大きな影響が飛跡再構成の効率に現れることがわかった（古谷）．また，標的形状の詳細，MWPC の感度領域，
磁場マップ等を最新のものにして実験感度をシミュレーションによって再評価した（森本）．その結果，3 GeV 陽子加速器のビーム強度が 1 MW で 1 年間のデータ取得による単一事象感度は，グラファイト標的に対して 7.90 × 10−14，SiC 標的に対して 2.14 × 10−14 となり，十分な感度があることを確認した．

図 8: DeeMe 実験で使用する電子検出用ガス検出器
multi-wire proportional chamber（MWPC）．

図 9: ベンチテストで得られた，HV スイッチングを適用しているガス飛跡検出器 MWPC の増幅器後の出力波形．青色の領域は実質的に HV が OFF，橙色の領域は HV が ON ．プロット内の上部の波形は異なる二つのデータを重ねて表示してあり，下部の波形
は二つの波形の差．スイッチングによるノイズは両者に共通であり，差を取ることにより概ね除去される．

36

教育・研究業績
学術論文
1. K. Abe, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurement of the muon neutrino inclusive charged-current cross section in the energy range of 1-3
GeV with the T2K INGRID detector”, Physical Review D 93, 072002 (2016).
2. K. Abe, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurement of Muon Antineutrino Oscillations with an Accelerator-Produced Off-Axis Beam”,
Physical Review Letters 116, 181801 (2016).
3. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the forward-backward asymmetry in low-mass bottom-quark pairs produced inproton-antiproton collisions”, Physical Review D 93, 112003 (2016).
4. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the forward-backward asymmetry of top-quark and antiquark pairs using the full
CDF Run II data set”, Physical Review D 93, 112005 (2016).
5. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for a low-mass neutral Higgs boson with suppressed couplings to fermions using events withmultiphoton final states”, Physical Review D 93, 112010 (2016).
6. K. Abe, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurement of double-differential muon neutrino charged-current interactions on C8 H8 without
pions in the final state using the T2K off-axis beam”, Physical Review D 93, 112012 (2016).
7. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :lept“Measurement of sin2 𝜃eff using 𝑒 + 𝑒 − pairs from 𝛾 ∗ /𝑍 bosons produced in 𝑝𝑝̅ collisions at a
center-of-momentum energy of 1.96 TeV”, Physical Review D 93, 112016 (2016).
8. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the 𝑊𝑊 and 𝑊𝑊 production cross section using final states with a charged leptonand heavy-flavor jets in the full CDF Run II data set”, Physical Review D 93, 032008 (2016).
9. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “Measurement of Coherent 𝜋 + Production in Low Energy Neutrino-Carbon
Scattering”, Physical Review Letters 117, 192501 (2016).
10. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “First measurement of the muon neutrino charged current single pion production crosssection on water with the T2K near detector”, Physical Review D 95, 012010 (2017).
11. H. Natori, N. Teshima, Y. Takezaki, Y. Furuya, Y. Seiya, K. Shimizu, K. Yamamoto et al. : “A fasthigh-voltage switching multiwire proportional chamber”, Progress of Theoretical and Experimental
Physics 2017, 023C01 (2017).

国際会議講演等
1. 金 賢 一 : “Precision neutrino cross-section measurements and modeling for long-baseline
oscillation experiments”，The fifth joint workshop of the France Korea (FKPPL) and France Japan(TYL/FJPPL) International Associated Particle Physics Laboratories, 2016年5月18日～20日，Seoul,
Republic of Korea
2. 手島 菜月 : ”Development of High-Rate-Tolerant HV-Switching Multi-Wire Proportional Chamberand Its Readout Electronics for DeeMe Experiment” (poster)，Charged Lepton Flavor Violation 2016
(CLFV2016)，2016年6月20日～22日，Charlottesville, Virginia, USA
3. 金 賢一 : “New experiment at J-PARC to measure the muon neutrino cross section ratio between
water and hydrocarbon” (poster) ， XXVII International Conference on Neutrino Physics andAstrophysics (NEUTRINO2016), 2016年7月4日～9日，London, UK
4. 手島 菜月 : ”DeeMe: an Experiment to Search for Muon to Electron Conversion at J-PARC MLF”
(poster)，The 6th Yamada Workshop on Muonic X and Gamma Ray Spectroscopy (MXG2016)，2016
年9月26日～28日，Suita, Osaka, Japan
5. 手 島 菜 月 : ”Development of DeeMe detector, high-rate tolerant HV-switching multi-wire37

proportional chamber” (poster)，The international workshop on future potential of high intensity
proton accelerator for particle and nuclear physics 2016 (HINT2016)，2016年12月5日～8日，Tokai,
Ibaraki, Japan

学会・研究会講演等
1. 金 賢一：「新水標的ニュートリノ検出器 INGRD Water Module のコミッショニング」，日本物理学会 2016 年秋季大会，2016 年 9 月 21 日～24 日，宮崎大学 木花キャンパス
2. 古谷 優子：「物理測定に向けた DeeMe 実験スペクトロメータ電磁石の性能評価」，日本物理学会 2016 年秋季大会，2016 年 9 月 21 日～24 日，宮崎大学 木花キャンパス
3. 原田 潤：「ニュートリノ検出器 INGRID 水モジュールと鉄モジュール間のトラックマッチ
ング」，日本物理学会 2016 年秋季大会，2016 年 9 月 21 日～24 日，宮崎大学 木花キャンパ
ス
4. 手島 菜月：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる検出器のビームテスト結果Ⅲ」，
日本物理学会 2016 年秋季大会，2016 年 9 月 21 日～24 日，宮崎大学 木花キャンパス
5. 金 賢一：「WAGASCI 実験 新検出器を用いたニュートリノ反応断面積比測定」，Flavor
Physics Workshop 2016，2016年10月26日～29日，新潟
6. 手島 菜月：「ミューオン電子転換探索実験 DeeMe のための高レート耐性 MWPC について」，Flavor Physics Workshop 2016，2016年10月26日～29日，新潟
7. 金 賢一：「WAGASCI Project」，「ニュートリノフロンティアの融合と進化」研究会 2016，2016年11月28日～30日，加賀，石川
8. 原田 潤：「新ニュートリノ検出器水モジュールの開発・製作と飛跡再構成におけるビーム
モニター鉄モジュールとの整合性」，第 23 回 ICEPP シンポジウム，2017 年 2 月 19 日～22
日，北安曇郡白馬村，長野
9. 東 佑真：「ニュートリノ検出器 WAGASCI における信号読み出しシステム運転試験の現状」，
日本物理学会第 72 回年次大会，2017 年 3 月 17 日～20 日，大阪大学 豊中キャンパス
10. 金 賢一：「プラスチックシンチレータと波長変換ファイバーの自動接着システムを用いた
新ニュートリノ検出器 WAGASCI の建設状況」，日本物理学会第 72 回年次大会，2017 年 3月 17 日～20 日，大阪大学 豊中キャンパス
11. 井上 翼：「新ニュートリノ検出器 WAGASCI 用プラスチックシンチレータの黒塗料塗布後の光量とクロストークの測定結果」，日本物理学会第 72 回年次大会，2017 年 3 月 17 日～20
日，大阪大学 豊中キャンパス
12. 古谷 優子：「物理測定に向けた DeeMe 実験スペクトロメータ電磁石の性能評価」，日本物理学会第 72 回年次大会，2017 年 3 月 17 日～20 日，大阪大学 豊中キャンパス
13. 森本 史明：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe の物理測定に向けた単一事象感度のモンテカ
ルロシミュレーションによる評価」，日本物理学会第 72 回年次大会，2017 年 3 月 17 日～20
日，大阪大学 豊中キャンパス
14. 清矢 良浩：「ミュオン電子転換過程探索実験－DeeMe－：準備状況（7）」，日本物理学会
第 72 回年次大会，2017 年 3 月 17 日～20 日，大阪大学 豊中キャンパス
15. 手島 菜月：「µ-𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる検出器のビームテスト結果について」，日本物理学会第 72 回年次大会，2017 年 3 月 17 日～20 日，大阪大学 豊中キャンパ
ス

学位論文
卒業論文
1. 久木田 直哉，田中 慎也，吉中 晴香：「ニュートリノ実験用シンチレータの光量測定に向けた新型 MPPC の基礎特性の測定」

38

修士論文
1. 原田 潤：「新ニュートリノ検出器 INGRID Water Module の製作及びそれによる飛跡再構成の研究」
2. 古谷 優子：「ミュー粒子・電子転換過程探索実験 DeeMe に用いられる磁気スペクト
ロメータ電磁石の磁場解析と性能評価」

研究助成金取得状況
1.

清矢 良浩：新学術領域研究「ニュートリノフロンティアの融合と進化」計画研究 A01 「加速器ニュートリノビームによるニュートリノフロンティアの展開」（分担）直接経費：100万円，間接経費：30万円

その他
1.
2.

山本 和弘：「ニュートリノという不思議な素粒子」，大阪市立大学共催講座，2016年6月25日，近鉄文化サロン阿倍野
清矢 良浩：「変化する!?ニュートリノ」，全国同時七夕講演会，2016年7月3日，大阪市立科学館

39

重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)田越 秀行 (准教授)横澤 孝章 (JSPS 特別研究員 (PD))
内潟 那美 (博士研究員)
金山 雅人 (博士研究員)
土田 怜 (博士研究員)
成川 達也 (博士研究員)

山本 尚弘 (D3)
田中 一幸 (D3)宮本 晃伸 (D1)
鍛治 毅 (M1)佐々井 毬花 (B4)

譲原 浩貴 (D3)

北岡 佑一 (M1)水上 龍太郎 (B4)研究概要
1. 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、岐阜県神岡鉱
山内に基線長 3km のレーザー干渉計を設置し、重力波の観測を目指している。本件研究室は KAGRA において、データ取得・転送系、データ解析（重力波イベントの探索）、検出器診断、などを担い、計画の中核として研究を進めている。
KAGRA は 2016 年 3 月 25-31 日と 2016 年 4 月 11-25 日に、‘iKAGRA’ と呼称する常温鏡でのマイケルソン干渉計での構成で、試験運転を行った。iKAGRA は干渉計方式は最終的な構成ではないので雑音感度は特に要求をせず、KAGRA 全体を通して端から端までのシステ
ム、すなわち、レーザー、入射光学系、干渉計制御、リモート制御、データ取得、データ転送と保管、データ解析、といった一連の部分を全てつないでの試験運転として行われた。本
研究室では、データ転送系とデータ解析を中心に、iKAGRA の観測に貢献した。

図 1: iKAGRA 試験運転時のデータファイル数と転送データ量。データは大阪市立大学へも約３秒の遅延時間で常時転送されている。

2. 科研費新学術領域研究「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
本科研費研究課題は、2016 年度が最終年度であった。我々は、本研究の大きな目標、すなわ
ち日本における重力波検出実験のデータ解析を推進すること、実際の観測データを解析する

40

こと、重力波天体事象のサイエンスについての研究、若手研究者の育成等も含んでの体制づくりを概ね達成できた。

(1) 重力波観測データ解析システムの構築
Linux クラスタ計算機システムを構築し、VPN（仮装プライベートネットワーク）環境下で運用を実施した。この VPN は計画の３年目には KAGRA のデータ転送網と連結し、安全かつ速やかにデータを受け取る仕組みを達成した。最終的に、760 コアの CPU と 304TB のデータ容量を有し、本研究の目指す短時間 (low latency) での重力波探索計算に必要な計算能力を実現した。
(2) 重力波データの様々な解析
重力波探索パイプラインの開発、そのためのソフトウエアライブラリである ‘KAGALI (KAGRA Algorithmic LIbrary)’ の開発・整備が進んだ。特にコンパクト連星合体の探索に関しては、譲原、田越、北岡らを中心に iKAGRA データの解析が進んだ。
(3) 実際の観測波形についての研究
米国 LIGO の初観測によってもたらされた実際の重力波事象のデータ（観測波形）について
は、本研究でも間髪を入れずにそのデータを解析し、発表の翌日には公開データを用いて重力波波形を抽出した。LIGO 公開データを用いた研究は、単純な探索にとどまらず、新しい時間-周波数解析手法を用いてのブラックホール準固有振動などの解析や、重力波源パラメー
タ決定精度の検討など、さまざまなことが試みられた。
図 2 は LIGO オープンデータを用いて、非ガウス雑音の定量評価を行った解析（山本ほか）である。

図 2: Phys.Rev. D 93, 082005 (2016) 右の図は、LIGO の公開観測データに非ガウス雑音モデ
ルを適用しての定量評価。左の図は、Physics Review D 誌の掲載月の印象的な図を取り上げる“Kaleidoscope” に選ばれた。

教育・研究業績
著書
1. 神田展行：「重力波の発見：一般相対性理論の 100 年後の証明」, パリティ, Vol. 31, No. 6,
2016, 40-42
2. 神田展行：「初観測された重力波が開いた宇宙への新しい窓」, パリティ, Vol. 31, No. 10,
2016, 14-18
3. 田越秀行，中村卓史：「重力波の初の直接検出とその意義」, 日本物理学会誌, Vol. 71, No.
4, 2016, 210-211

41

4. 田越秀行：「重力波天文学の幕開け」, パリティ, Vol. 31, No. 10, 2016, 19-24 杉本太郎：「素
粒子物理学概論」 (○×出版、2001 年)
5. 神田展行：「重力波事象と電磁波による同時観測・追観測への期待」, 天文月報, Vol.110, No.1,
2017, 6 - 13

学術論文
1. Takahiro Yamamoto, Kazuhiro Hayama, Shuhei Mano, Yousuke Itoh, and Nobuyuki Kanda,
11Characterization of non-Gaussianity in gravitational wave detector noise”, Phys. Rev.
D , 93, 2016, 082005
2. Masato Kaneyama, Ken-ichi Oohara, Hirotaka Takahashi, Yuichiro Sekiguchi, Hideyuki
Tagoshi, and Masaru Shibata, “Analysis of gravitational waves from binary neutron starmerger by Hilbert-Huang transform”, Phys. Rev. D, 93, 2016, 123010
3. Kazuki Sakai, Ken-ichi Oohara, Masato Kaneyama, Hirotaka Takahashi, “Analysis of thereal gravitational wave data GW150914 with the Hilbert-Huang transform”, ICIC Express
Letters, 11(1), 2017, 45-52
4. T. Nakamura, M. Ando, T. Kinugawa, H. Nakano, K. Eda, S. Sato, M. Musha, T. Akutsu,
T. Tanaka, N. Seto, N. Kanda, and Y. Itoh, “Pre-DECIGO can get the smoking gun
to decide the astrophysical or cosmological origin of GW150914-like binary black holes”,
Prog. Theor. Exp. Phys., 2016, 2016, 93E01
5. Tatsuya Narikawa, Hideyuki Tagoshi, “The potential of advanced ground-based gravitational wave detectors to detect generic deviations from general relativity”, Prog. Theor.
Exp. Phys., 093E02, 2016,
6. M. Kaneyama, K. Oohara, H. Takahashi, Y. Sekiguchi, H. Tagoshi, and M. Shibata, “Analysis of gravitational waves from binary neutron star merger by Hilbert-Huang transform”,
Physical Review D 93, 2016, 123010-1–123010-11
7. Nami Uchikata, Shijun Yoshida and Paolo Pani, “Tidal deformability and I-Love-Q relations for gravastars with polytropic thin shells”, Physical Review D, 94, 2016, 064015-1 –064015-18
8. Hirotaka Yuzurihara, Kazuhiro Hayama, Shuhei Mano, Didier Verkindt, and Nobuyuki
Kanda, “Unveiling linearly and nonlinearly correlated signals between gravitational wave
detectors and environmental monitors”, Physical Review D, 94, 2016, 042004-1-042004-7
9. Tomoya Kinugawa, Akinobu Miyamoto, Nobuyuki Kanda and Takashi Nakamura, “Thedetection rate of inspiral and quasi-normal modes of Population III binary black holes
which can confirm or refute the general relativity in the strong gravity region”, MNRAS,
456, 2016, 1093-1114
10. Hisa-aki Shinkai, Nobuyuki Kanda, Toshikazu Ebisuzaki, “Gravitational waves from merging intermediate-mass black holes : II Event rates at ground-based detectors”, Astrophys.
J., Vol.835, No.2, 2017, 276

学会・研究会講演
1. Kazuki Sakai, Ken-ichi Oohara, Masato Kaneyama and Hirotaka Takahashi, “Amplitudebased detection method for gravitational wave bursts: application to GW150914”, Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2016 (GWPAW2016), 2016/6/15-18,
Cape Code Resort and Conference Center, Massachusetts, USA

42

2. Kazuki Sakai, Ken-ichi Oohara, Masato Kaneyama and Hirotaka Takahashi, “Analysisof the real gravitational wave data GW150914 with the Hilbert-Huang transform”, The
Eleventh International Conference on Innovative Computing, Information and Control(ICICIC2016), 2016/8/15-17, Harbin, China
3. 酒井一樹，高橋弘毅, 大原謙一，金山雅人, “Hilbert-Huang 変換を用いた GW150914 の解析”, 日本天文学会（秋）, 2016/9/15, 愛媛大学 城北キャンパス （愛媛県・松山市）
4. 金山雅人, 大原謙一, 高橋弘毅, “スパース性を取り入れた重力波の時間ー周波数解析”, 日本物理学会（秋）, 2016/9/22, 宮崎大学 木花キャンパス （宮崎県・宮崎市）
5. Satoshi Ueki, Kazuki Sakai, Yukitsugu Sasaki, Masato Kaneyama, Ken-ichi Oohara and
Hirotaka Takahashi, “Hilbert-Huang Transform in Search for Gravitational Waves”, The
5th International GIGAKU Conference in Nagaoka, 2016/10/7, Nagaoka University ofTechnology, Nagaoka, Japan
6. Kazuki Sakai, Ken-ichi Oohara, Masato Kaneyama and Hirotaka Takahashi, “Analyzing ringdown gravitational waves from binary black hole mergers with the Hilbert-Huangtransform”, The 25th workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG26),
2016/10/24-28, Osaka City University, Osaka, Japan
7. 佐々木幸次, 高橋弘毅, 三代浩世希, 上泉眞裕, 粟井恭輔, 山本尚弘, 苔山圭以子, 宮川治, “計算機制御における評価システムの開発 (II)”, 日本物理学会（春）, 2017/3/17, 大阪大学豊中キャンパス（大阪府・豊中市）
8. 酒井一樹, 大原謙一, 中野寛之, 金山雅人, 高橋弘毅, “Hilbert-Huang 変換を用いた連星ブラックホール合体からの ringdown 重力波の解析”, 日本物理学会（春）, 2017/3/17, 大阪大学豊中キャンパス（大阪府・豊中市）
9. Nobuyuki Kanda and KAGRA collaboration, “Transfer, Archive and Tier of iKAGRA
data”, The First International Meeting on KAGRA, 2016/6/25, KAIST, Daejeon, Korea
10. Nobuyuki Kanda and KAGRA collaboration, “Status of KAGRA data management andanalysis”, The Second International Meeting on KAGRA , 2016/11/12, Beijing Normal
University, Beijing, China
11. 神田展行, KAGRA, “重力波初観測から考える今後の重力波研究”, セミナー, 2016/4/27, 神
戸大学
12. 神田展行, KAGRA, “新しい宇宙観測：重力波と KAGRA 実験”, 談話会, 2016/7/6, 首都大学東京
13. Nobuyuki Kanda, KAGRA, “The First Observation of Gravitational Waves and the given
Prospects”, 宇宙論グループ・重力のグループ合同セミナー, 2016/7/11, 名古屋大学
14. Nobuyuki Kanda, KAGRA collaboration, “Status and Future of KAGRA”, The 26th
Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan, 2016/10/26, Osaka City University, （招待講演）
15. 神田展行, “重力波観測入門”, Flavor Physics Workshop 2016, 2016/10/29, 岩室温泉ゆもとや, （招待講演）
16. 神田展行, “重力波天体の検出について Recent Progress and Status of Gravitational Wave
Detection”, 第 7 回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ, 2016/11/21, 京都大学, （招待講演）
17. 田越秀行, “重力波初観測の衝撃”, 物理学科新歓談話会, 2016/04/12, 大阪市立大学
18. 田越秀行, “LIGO による重力波の初観測と重力波天文学の展望”, セミナー, 2016/06/10, 静岡大学理学部43

19. 田越秀行, “LIGO による重力波の初観測とその意義”, セミナー, 2016/06/10, 静岡大学理学部
20. 田越秀行, “Status of KAGRA DAS group and the compact binary coalescence searchtasks”, The First International meeting on KAGRA, 2016/06/24, KAIST, Daejeon, SouthKorea
21. 田越秀行, “First observation of gravitational waves : Dawn of gravitational wave physics
and astronomy”, セミナー, 2016/07/04, 立教大学理学部
22. 田越秀行，KAGRA Collaboration, “iKAGRA データ解析：連星合体重力波探索 (1)”, 日本
物理学会 2016 年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
23. 田越秀行, “重力波観測の現状と今後の展望”, 超巨大ブラックホール研究推進連絡会第 4 回
ワークショップ, 2016/12/09, 東京大学天文学教育研究センター
24. 田越秀行, “KAGRA 検出器のデータ解析の研究（II）”, 宇宙線研究所共同利用研究発表会,
2016/12/10, 東京大学柏図書館メディアホール
25. Tatsuya Narikawa, “Strategy of electromagnetic follow-up observations with small telescopes”, RESCEU Symposium Gravitational-Wave Astrophysics in the High Event Rate
Regime , 2016.12.5, RESCEU, 東大
26. Tatsuya Narikawa, KAGRA Collaboration, “Parameter estimation for compact binary
coalescence signals with iKAGRA data - A warming-up for the bKAGRA era”, JGRG26,
2016.10.26, 大阪市大27. Tatsuya Narikawa, “Advanced ground-based gravitational-wave detector s potential tomodel-independently test gravitational theory”, GWPAW2016, 2016.06.17, Hyannis, MA
28. Tatsuya Narikawa, “Detectability of graviton oscillations using gravitational wave observations”, Gravitational wave group Colloquium, 2016.06.10, University of Birmingham
29. 成川達也, KAGRA Collaboration, “iKAGRA データ解析:連星合体重力波パラメータ推定”,
日本物理学会 2016 年秋季大会, 2016.9.23, 宮崎大
30. 成川達也, KAGRA Collaboration, “iKAGRA データ解析:連星合体重力波パラメータ推定”,
日本天文学会 2016 年秋季大会, 2016.9.15, 愛媛大
31. Takaaki Yokozawa, 4people, “Study of characteristic signals extraction method from supernovae GW and neutrino signals”, GWPAW2016, 2016/06/16, Hyannis, USA
32. Takaaki Yokozawa, KAGRA collaboration, “Status of iKAGRA hardware injection”, KAGRA 1st International Worksho“2016/06/24, KISTI, Daejon, Korea
33. 横澤孝章, KAGRA collaboration, “iKAGRA における制御系への重力波波形注入試験”, 日
本物理学会秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学木花キャンパス
34. Takaaki Yokozawa, 4 people, “A new method probing characteristics of gravitational waves
and neutrinos from supernovae”, JGRG26, 2016/10/26, Osaka City University
35. 横澤孝章, “超新星爆発からの重力波とメカニズム解明に向けた研究”, 第一回 宇宙素粒子若手の会 秋の研究会, 2016/10/30, 東京大学柏キャンパス
36. Takaaki Yokozawa, 4 people, “A new method probing characteristics of gravitational waves
and neutrinos from supernovae”, RESCEU Worksho“2016/12/05, 東京大学小柴ホール
37. M. Kaneyama, K. Oohara, H. Takahashi, Y. Sekiguchi, H. Tagoshi, and M. Shibata, “Analysis of GWs from Binary Neutron Stars Merger by Hilbert-Huang Transform”, 4th Annual
Symposium on New Developments in Astrophysics Through Multi-Messenger Observations of Gravitational Wave Sources”, 2016/02/19, Kavli-IPMU カブリ数物連携宇宙研究機構

44

38. 金山雅人、大原謙一、高橋毅弘, “スパース性を利用した重力波の時間-周波数解析”, 日本物理学会 第 71 回年次大会, 2016/03/22, 東北学院大学
39. 金山雅人、高橋毅弘、大原謙一, “スパース性を取り入れた重力波の時間-周波数解析”, 日本
物理学会 2016 年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
40. 内潟那美、田越 秀行、廣林 茂樹、成川 達也、賈 東宝、三宅 公平、柳澤 健太, “NHAと matched filter を用いた連星ブラックホール合体後の準固有振動解析”, 日本物理学会 2016年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
41. 土田怜、神田展行、田越秀行、森正樹, “重力波検出器による暗黒物質信号の探索方法の研究”, 日本物理学会 2016 年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
42. Satoshi Tsuchida, Nobuyuki Kanda, Hideyuki Tagoshi, Masaki Mori, “Dark matter interaction with laser interferometric gravitational wave detector”, The 26th Workshop on
General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG26), 2016/10/24-28, Osaka City University
43. 田中一幸, KAGRA Collaboration, “GPGPU を用いた Radiometry 解析パイプラインの作成、テスト”, 日本物理学会 2016 年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
44. 宮本晃伸、他３名, “重力波の検出分布を用いた重力波源分布の再構成”, 日本物理学会 2016
年 年次大会, 2016/03/19, 東北学院大学
45. A.Miyamoto, and 3 people, “Prospect of indirect confirmation of Pop III massive star
existence in near future gravitational wave observation”, Gravitational Wave Physics Astronomy Workshop (GWPAW), 2016/06/15, Hyannis, USA
46. 宮本晃伸、他３名, “地上・スペース重力波検出機による連星合体の距離・質量分布推定の可能性”, 日本物理学会 2016 年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
47. Hirotaka Yuzurihara, “Search for neutron star binary coalescences in iKAGRA data”, The
15th Face to Face Meeting, 2016/12/08, 東京大学
48. Hirotaka Yuzurihara, “Progress of CBC search using iKAGRA data”, The 14th Face toFace Meeting, 2016/08/25, 富山大学
49. Hirotaka Yuzurihara, Kazuhiro Hayama, Shuhei Mano, Didier Verkindt, and Nobuyuki
Kanda, “A method for non-linear correlated noise in gravitational waves detectors”, Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop(GWPAW) 2016, 2016/06/17, Hyannis,
USA50. 譲原浩貴, KAGRA collaboration, “iKAGRA データ解析：連星合体重力波探索 (2)”, 日本物理学会 2016 年秋季大会, 2016/09/22, 宮崎大学
51. 鍛治毅, 横澤孝章, 神田展行, 田越秀行, 宮川治, 苔山圭以子, 山本尚弘, 三代浩世希, 上泉眞裕, 粟井恭輔, 三代木伸二, 佐々木幸次, 高橋弘毅, “KAGRA デジタル制御系用 DAC/ADCの動作試験”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/17, 大阪大学 豊中キャンパス
52. 神田展行, KAGRA collaboration, “KAGRA 長期観測のためのデータ転送・保管の改良とペタバイト級システムの設計”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/17, 大阪
大学 豊中キャンパス
53. 横澤孝章, KAGRA collaboration, “Hilbert-Huang 変換を用いた iKAGRA 波形注入試験の検証”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/17, 大阪大学 豊中キャンパス
54. 譲原浩貴, KAGRA Collaboration, “iKAGRA データ解析：中性子星連星合体重力波探索”,
日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/17, 大阪大学 豊中キャンパス45

55. 北岡佑一, KAGRA collaboration, “KAGRA 試験観測データのガウス性評価とコンパクト
連星合体解析”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/17, 大阪大学 豊中キャンパス
56. 田中一幸, KAGRA Collaboration, “GPGPU 高速計算による frequency sliced GW Radiometry”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/17, 大阪大学 豊中キャンパス
57. 成川達也, 金山雅人, 田越秀行, “小口径望遠鏡を用いた重力波天体のフォローアップ観測の戦略”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/18, 大阪大学 豊中キャンパス
58. 金山雅人, 成川達也, 田越秀行, “コンパクト連星合体の位置推定とフォローアップ観測”, 日
本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/18, 大阪大学 豊中キャンパス
59. 土田怜, 神田展行, 田越秀行, 森正樹, “レーザー干渉計型重力波検出器による暗黒物質信号検出のためのデータ解析手法”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/18, 大阪
大学 豊中キャンパス
60. 内潟那美, 田越秀行, Fedrow Joseph, 成川達也, 高橋弘毅, 賈東宝, 三宅恭平, 柳澤健太, 廣林
茂樹, “数値相対論によるブラックホール連星合体重力波波形の ringdown 解析”, 日本物理学会 第 72 回年次大会（2017 年）, 2017/3/18, 大阪大学 豊中キャンパス
61. 神田展行, KAGRA collaboration, “Gravitational Wave Observation : Recent Progress andStatus”, 第９回 Fundamental Physics using Atoms, 2017/1/10, 京都大学桂キャンパス ,（招待講演）
62. 神田展行, KAGRA collaboration, “Status of Gravitational Wave Observations and Physics
of GW Sources with Multi-messenger”, マルチメッセンジャー研究会, 2017/3/2, 千葉大学,（招待講演）

その他
1. 神田展行, 「地下で測る宇宙のさざなみ 〜重力波検出実験 KAGRA〜」, 日本物理学会 市
民科学講演会, 2016/3/20, 仙台市 イズミティ２１
2. 神田展行, 「重力波の初観測：一般相対性理論１００年目の検証」, 日本物理教育学会近畿支部総会, 2016/5/14, 大阪大学
3. 神田展行, 「重力波初観測」, 宇宙・天文を学べる大学合同進学説明会 天文講演会, 2016/6/12,
大阪市立科学館
4. 神田展行, 「重力波観測がもたらす物理学と宇宙の新しい姿」, 日本物理学会大阪支部 2016年度 公開シンポジウム「最先端研究施設で探る 物質・素粒子・時空」, 2016/11/20, 大阪
府立大学 I-site なんば
5. 田越秀行, 「重力波の初観測：重力波天文学の幕開け」, 第 6 回高校生天文活動発表会,
2016/7/18, 大阪教育大学天王寺キャンパス
6. 田越秀行, 「重力波の初観測」, 理カフェ, 2016/7/23, Cafe FLEUR
7. 田越秀行, 「重力波天文学」, ひょうご講座, 2016/10/14, 兵庫県民会館
8. 神田展行, 「天体からの重力波 〜アインシュタインの予言した時空のさざ波を捉える〜」,
島根大学 ヒッグス・初期宇宙プロジェクトセンター講演会, 2017/2/18, 島根大学
9. 神田展行, 「重力波初観測の衝撃と KAGRA の挑戦 〜アインシュタインが予言した時空の波で開く新しい宇宙像〜」, 読売テクノフォーラム, 2017/1/23, 日本プレスセンター

学位論文
博士論文
1. 山本尚弘 ： “Non-Gaussian noise and data analysis of laser interferometric gravitational
wave detectors” (非ガウス雑音とレーザー干渉計型重力波検出器のデータ解析)

46

卒業研究
1. 佐々井 毬花 ： 「重力波検出器 KAGRA の試験観測データにおける雑音ガウス性評価」
2. 水上 龍太郎 ： 「スカラーテンソル理論における連星合体重力波」

研究助成金取得状況
1. 科学研究費補助金 新学術領域研究 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
計画研究 A04「多様な観測に連携する重力波探索データ解析の研究」（代表：神田展行、分担：田越秀行ほか、H24-28 年度）
2. 科学研究費補助金 新学術領域研究 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
総括班 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開の総括的研究」（代表：中村卓
史 (京都大学)、分担：神田展行ほか、H24-28 年度）
3. 学術研究助成基金助成金「GPGPU の高度並列化計算による KAGRA データの解析」（基盤(C)、代表：神田展行、H26-28 年度）
4. 学術研究助成基金助成金「先進的重力波検出器によるコンパクト連星合体重力波のデータ解析」（基盤 (C)、代表：田越秀行、H27-29 年度）
5. 科学研究費補助金「数値相対論による重力波源の研究」（基盤（C）、代表：柴田大（京都大学）、分担：田越秀行ほか、H24-27 年度）

海外出張および海外研修
1. 成川達也, “Gravitational wave group Colloquium”, University of Birmingham, UK, 6/10,
2016
2. 横澤孝章, 内潟那美, 金山雅人, 土田怜, 成川達也, 譲原浩貴, 宮本晃伸, 田越秀行, 神田展行,“Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2016”, the Cape Cod Resort andConference Center in Hyannis, Massachusetts, USA, 6/15-18, 2016
3. 土田怜, 譲原浩貴, “The first observation of a binary black hole merger: Status and future
prospects”, Albert Einstein Institute, Hannover, Germany, 5/23-26, 2016
4. 横澤孝章, 田越秀行, 神田展行, “1st International meeting on KAGRA”, KISTI, Daejeon,
Korea, 6/23-25, 2016
5. 神田展行, “2nd International meeting on KAGRA”, Beijing Normal University, Beijing,
China, 11/11-12, 2016
6. 神田展行, 研究打ち合わせ, Academia SINICA(台湾中央研究院), 淡江大学, 台湾 1/15-17,
2017

主催、共催の研究会
1. The 26th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan October 24th- 28th,
2016, Osaka City U.

47

宇宙・素粒子実験物理学研究室
中野 英一
岩崎 昌子

准教授
准教授

西村 静香 (B4)松本 健嗣 (B4)
源 大輝 (B4)

研究概要
1. Belle 国際共同実験（中野、岩崎）
高エネルギー加速器研究機構の KEKB 加速器を用いた Belle 国際共同実験を行なっている.
大阪市立大学の研究グループは Belle 測定器の最も外側に位置する KL 中間子/µ 粒子検出器 (KLM) の読み出しおよび µ 粒子同定を担当している. Belle 実験は，KEKB 加速器を用
いて電子・陽電子対消滅反応によって大量に生成される B 中間子対の崩壊過程から，CP 対
称性の破れの検証や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である (学術論文 3, 4, 7). また，チャームクォーク対生成事象や (学術論文 1，6)，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 2，5)，ハドロン物理の解明にも寄与している. このうちでも，論文 4 では，B 中間子の D(∗) 中間子を含むセミレプトニック崩壊過程の詳細な観測により、標準模型を越える物理の手がかりの探索を行った。B → D(∗) τ ν 崩壊を効率良く、かつ、高純度で選択するためには同時に生成された B̄ 中間のタグが不可欠である。それまではタグ側の B 中間子はセミレプトニック崩壊しか使用していなかったが、今回はハ
ドロニック崩壊も使用することにより、B 中間子事象の統計をあげることにより、より詳細
な B → D(∗) τ ν 崩壊過程の観測を可能にした。その結果、R(D∗ ) =B(B̄ → D∗ τ − ν̄τ )= 0.302 ± 0.030(stat) ± 0.011(syst)
B(B̄ → D∗ ℓ− ν̄ℓ )R(D*)

を得た。この値は標準模型による予言から 1.6σ 離れていた。この結果を、他の実験や、Belleの過去の結果と比較したものを図 1 に示す。

0.5
0.45
0.4

BaBar, PRL109,101802(2012)
Belle, PRD92,072014(2015)
LHCb, PRL115,111803(2015)
Belle, PRD94,072007(2016)
Belle, arXiv:1608.06391
Average∆χ2 = 1.0 contours
SM Predictions
R(D)=0.300(8) HPQCD (2015)
R(D)=0.299(11) FNAL/MILC (2015)
R(D*)=0.252(3) S. Fajfer et al. (2012)

0.35
0.3
0.25

HFAG
Summer 2016

P(χ2) = 70%

0.2
0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

R(D)

図 1: R(D∗ ) 対 R(D). 他の実験結果との比較．論文 4 による値は緑色の二本の線の範囲．
今回の R(D∗ ) の結果は過去の実験結果と矛盾しておらず、単独では標準模型から 1.6σ しか48

離れていないが、他の実験との平均を求めると赤の楕円で示す範囲となり、標準模型とのズレが大きくなり、標準模型を越える物理の手がかりとなりそうである。

2. Belle II 国際共同実験の準備研究（中野、岩崎）
2017 年度にビームの衝突開始が予定されている SuperKEKB 加速器を使った Belle II 実験の中央飛跡検出器 (CDC) を建設を進めている。今年度も前年度に引き続き宇宙線を使った飛跡再構成の試験を進める (図 2) とともに、Belle II 検出器の構造体への組み込みを行なった。
Event display with back-to-back setup
Event #94; Data were taken on June 16

Jun 20, 2016

D.V. Thanh14

図 2: CDC で捉えた宇宙線の飛跡の例

図 3: Belle II 構造体に組み込むために、治具に 図 4: Belle II 構造体に組み込み終えた状態の取り付けられた CDC
CDC
また、CDC のシミュレーションやデータ解析に必要なソフトウェア開発を進め、実験開始に備えている。
さらに、主に関西方面の 4 年生、修士 1 年の大学院生を対象にした Belle II 実験の研究会を
大阪市立大学梅田サテライトにおいて主催し、約 40 名の参加者を集めた。

3. 分散制御システムの開発（岩崎、源、西村）研究室内に、分散制御システムを構築し、測定機器制御開発を行った。具体的には、Linux、
MacOS, Windows 計算機、および、シングルボード計算機 (RaspberryPi) を用いてシステムを構築し、分散制御用のソフトウェアとして EPICS を導入した。RaspberryPi から、USB
シリアル通信により AVR マイコンを、イーサーネット通信によりデジタルマルチメータを制御して、データを収集した。これらの開発結果について、卒業研究にまとめた。

4. ILC シミュレーション（岩崎、西村、源）49

ILC のシミュレーション用ソフトを導入して、ILC でのヒッグス粒子生成の研究を行った。
具体的には、ROOT のシミュレーションツールで、SiD 測定器のパラメータを用いて、中性ヒッグス粒子生成過程の Fast シミュレーションを行った。中性ヒッグス粒子からの崩壊
分岐比を測定するため、ヒッグス粒子から崩壊されたクォークのフレーバー識別として、cクォークジェットとｂクォークジェットの識別方法の開発を行い、卒業研究にまとめた．
5. マイクロパターン・ガスディテクター (MPGD) の研究開発（中野）
薄型で 2 次元読み出しを行なえるガス検出器の 1 つであるガス電子増倍器 (GEM) の他分野への応用をはかる目的で、高エネルギー加速器研究機構、杏林大学、近畿大学との共同研究を行ない、He ベースガスを用いた物質量が少ない GEM の開発、中性粒子測定用 GEM の開発を進め、GEM の応答を理解するために荷電粒子と検出器の反応をシミュレー トするプ
ログラム (GEANT4) や電場計算プログラム (Maxwell) と検出器シミュレーショ ンプログ
ラム (Garfield) を用いた GEM のシミュレーションを行なう準備を進めている。

6. 検出器の開発（中野，松本）
数年前に他分野の学術誌で報告されたが、これまでに高エネルギー物理学実験に使用されていなかった検出器をこの分野で使用可能か検証を行った。前年度に引き続き、ガスを用いた検出に広く使われる希ガスと炭化水素ガスの組み合わせを使用しないガス検出器の開発を進め、窒素と二酸化炭素の組合せが有望であることを確認し、その結果を卒業研究としてまとめた.

教育・研究業績
学術論文
1. “Observation of D0 → ρ0 γ and search for CP violation in radiative charm decays”
A. Abdesselam et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 118, no. 5, 051801 (2017)
2. “First observation of γγ → pp̄K + K − and search for exotic baryons in pK systems”
C. P. Shen et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 93, no. 11, 112017 (2016)
3. “Search for a massive invisible particle X 0 in B + → e+ X 0 and B + → µ+ X 0
decays”
C. S. Park et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 94, no. 1, 012003 (2016)
4. “Measurement of the branching ratio of B̄ 0 → D∗+ τ − ν̄τ relative to B̄ 0 → D∗+ ℓ− ν̄ℓdecays with a semileptonic tagging method”
Y. Sato et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 94, no. 7, 072007 (2016)
5. “Search for a dark vector gauge boson decaying to π + π − using η → π + π − γdecays”
E. Won et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 94, no. 9, 092006 (2016)
6. “Search for D0 decays to invisible final states at Belle”
Y.-T. Lai et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 95, no. 1, 011102 (2017)50

7. “Lepton-Flavor-Dependent Angular Analysis of B → K ∗ ℓ+ ℓ− ”
S. Wehle et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 118, no. 11, 111801 (2017)

学会・研究会講演
1. N.Ohuchi, ...., M.Iwasaki (他 11 名、4 番目)： Design and Construction of the QC2 Superconducting Magnets in the SuperKEKB IR
7th International Particle Accelerator
Conference(IPAC2016) 2016 年 5 月
2. Y. Arimoto, M. Iwasaki (他 5 名、2 番目)：”Magnetic Measurement for SuperconductingQuadrupole-Magnets of Final-Focus System for SuperKEKB”, 7th International Particle
Accelerator Conference(IPAC2016) 2016 年 5 月
3. B. Parker, ...., M.Iwasaki (他 13 名、10 番目)： The SuperKEKB Interaction Region Corrector Magnets
7th International Particle Accelerator Conference(IPAC2016) 2016年5月
4. Y. Funakoshi, ...., M.Iwasaki (他 58 名、15 番目)：”Beam Commissioning of SuperKEKB”,
7th International Particle Accelerator Conference(IPAC2016) 2016 年 5 月
5. 廣瀬雅哉, 岩崎昌子 (他 4 名、2 番目)：「SuperKEKB における CSS Archiver 及び Channel
Archiver の現状」 第 13 回日本加速器学会年会 2016 年 8 月
6. 中村卓也, 岩崎昌子 (他 3 名、2 番目)：
「SuperKEKB の CSS アラームシステム運用状況」
第 13 回日本加速器学会年会 2016 年 8 月
7. 紙谷琢哉, ...., 岩崎昌子 (他 123 名、17 番目)：
「SuperKEKB フェーズ１における入射器とリングの現状」 第 13 回日本加速器学会年会 2016 年 8 月
8. 青木香苗, 廣瀬雅哉, 岩崎昌子 (他 7 名、3 番目)：「SuperKEKB Interaction Region における超伝導電磁石群の冷凍システム用モニターの開発」日本物理学会第 72 回年次大会
2017 年 3 月
9. 岩崎昌子：「SuperKEKB 加速器」関西 B 実験 4 年生・M1 対象の勉強会
大阪市立大学梅田サテライト
10. 岩崎昌子：「Belle II 測定器」
温泉

Flavor Physics Workshop 20162016 年 6 月 3 日

2016 年 10 月 27 日 岩室

11. 中野英一：「CDC のソフトウェア」関西 B 実験 4 年生・M1 対象の勉強会
大阪市立大学梅田サテライト

2016 年 6 月 3 日

その他
1. 岩崎昌子：「SuperKEKB 始動！-世界最高輝度の加速器で挑む標準模型を超えた物理探索実
験-」 2016 年 6 月 15 日 教室談話会
2. 岩崎昌子：「SuperKEKB/Belle II 実験の紹介」
サマーサイエンスツアー事前学習

2016 年 7 月 19 日 大阪府立高津高校 SSH

3. 岩崎昌子：「加速器を使った素粒子物理学実験」
路講演会

2016 年 11 月 10 日 大阪府立高津高校進51

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)
根岸宏行(D4)
速水真裕(D5)

赤井祐美(M2)
宮地昴志(M2)
芦田尊(B4)
大野木嵩智(B4)黒田雄貴(B4)

研究概要
	  人類によるミクロ世界の認識は、物質→分子→原子→電子と原子核、原子核→ハドロン→
クォークと進んできました。電子は６種類確認されているレプトンと呼ばれるグループに属しています。また、クォークも６種類確認されています。さらに、これらの素粒子の間に働く相互作用を媒介するゲージ場の存在も確認されています。現在確認されている相互作用は、
重力、電磁気力、弱い力、強い力の４種類です。素粒子論研究室では、素粒子標準模型を超える物理の現象論、特に超対称性や高次元に基づいた現象論の研究に力を入れています。まら、宇宙論やブラックホール、そして重力崩壊による時空特異点の形成などに注目して、強い重力場の物理に関する研究を行っています。	
 	
 素粒子論研究室において2016年度に行われた研究は以下の通りです。	
 	
 1. ゲージ・ヒッグス統一模型における３点ゲージ結合の研究（丸）	  素粒子標準模型は現在までの実験事実を非常によく記述するが、未解決問題も多く存
在し標準模型を拡張した模型構築が必要不可欠である。その１つであるゲージ・ヒッグ
ス統一模型では、ヒッグス場を高次元ゲージ理論におけるゲージ場の一部とみなし、くりこみ不可能な理論に関わらず量子補正を考慮したヒッグス粒子の質量を有限に予言する。標準模型における３点ゲージ結合定数は、実験で非常に精密に測定されており、標準模型を超える物理を探る上で大変重要な物理量である。３点ゲージ結合定数、ローパ
ラメタの標準模型予言からのずれを５次元ゲージ・ヒッグス統一模型を用いて解析し、コンパクト化スケールの下限値を得た(論文1)。
2. 異常トップ、ボトム湯川結合定数の研究（丸）	  標準模型を超える物理において、湯川結合定数が標準模型による予言からしばしばずれる。LHC Run I dataと矛盾ぜずにずれる可能性を解析したところ、トップ、ボトム湯川結
合定数に有意なずれが可能であることを発見した。このずれが生じうる簡単な模型について議論した(論文2)。
3. 物質優勢期における原始ブラックホールの形成（中尾）	  Hawking によって宇宙初期に十分大きな密度揺らぎが存在するならば、放射優勢期においてブラックホールが形成されうることが指摘され、それ以後、理論と観測の両面から研究が進められてきた。そのような密度揺らぎは初期宇宙に置ける加速膨張（インフレーション）期に生成されたと考えられている。インフレーションが終了した直後に宇宙は放射優勢期に入るが，その前に一時的に宇宙に存在する物質の圧力がほとんど無視できる物
質優勢期が存在することが理論的に予言されている。その時期は圧力が無いために密度揺らぎの重力崩壊を妨げるものが無いために、ブラックホールが効率的に形成されると考え52られる。本年度は、密度揺らぎの非等方性を考慮し、Thorne の提案した Hoop Conjectureに基づいた解析により物質優勢期におけるブラックホールの形成率を評価した（論文4）。
この研究は、原田知広氏（立教大）、柳哲文氏（名古屋大）、郡和範氏（KEK）、Sanjay
Jhingan氏（山梨学院大学）との共同で進められている。
4. 非コペルニクス的宇宙における観測（中尾，根岸）	  我々の宇宙は現在、加速膨張しているように見える。より厳密に言うと、宇宙の物質・
輻射分布や空間の幾何学的性質が一様等方ならば、現在得られている観測結果は、宇宙空間の膨張速度が加速していることを意味する、ということである。さらに、アインシュタインの一般相対論が正しい重力理論だと仮定すると、この観測事実は負の圧力（正の張力）を持つダークエネルギーと名付けられた不可解なエネルギーが宇宙空間に満ち満ちているということを意味する。このダークエネルギーの起源は未だに不明で、この問題をダー
クエネルギー問題と呼んでいる。上記の説明から分かるように、観測事実からダークエネ
ルギーの存在を演繹するために２つの仮定をしている。一つ目は「宇宙は一様等方」、二つ目は「一般相対論が正しい」である。この二つの仮定のうち一つでも正しくないということになれば、ダークエネルギーの存在を仮定せずに観測事実の説明ができる可能性が存在する。
	  我々のグループは、ダークエネルギー問題に対する一つのアプローチとして、「我々の宇宙は一様等方」という仮定の妥当性に注目し研究を進めている。別の言い方をすると、「我々の住んでいる場所は特別な場所ではない」というコペルニクス原理の観測的検証に関する研究である。現在観測されている宇宙背景放射は、我々の固有速度が起源と考えられている双極子的な非等方性を除けば非常に等方的である。もしコペルニクス原理が妥当ならば、我々の場所以外でも宇宙は等方的に見えるはずである。幾何学的考察から、あらゆる点で等方な時空は一様等方であることがわかるので、コペルニクス原理を仮定すると宇宙背景放射の等方性は我々の宇宙の一様等方性を強く示唆する。しかし、もしコペルニ
クス原理が妥当ではなく、我々が宇宙の特殊な場所（例えば、我々の場所から見た場合だ
け等方に見える非一様な宇宙）に住んでいるとしたら、これまでの宇宙論は多少の変更を受けることになる。具体的に述べると、ダークエネルギー、ダークマター、そして元素の総量や空間の曲率といった宇宙論パラメターの測定値である。それゆえ、コペルニクス原理を観測的に確認する作業は、精密科学として進展著しい宇宙論において、その基礎をより堅固にするという非常に重要な意味を持つ（論文5）。
5. 荷電ブラックホール周りの衝突的ペンローズ過程（中尾）	  自転しているブラックホールはエルゴ圏と呼ばれる領域に取り囲まれている。このエルゴ圏では粒子や場は負のエネルギーを持つことができる。それゆえそこに侵入した粒子が２つの粒子に崩壊する場合、一方の粒子が負のエネルギーを持つことが可能であり、この場合、元々の粒子の持っていた全エネルギーEは崩壊後も保存されるため、もう一方の粒子がEよりも大きなエネルギーを持つことになる。この大きなエネルギーを持った粒子が遠方に飛び去ると、ブラックホールの自転エネルギーが遠方に飛び去った粒子に持ち去られたことになる。このブラックホールからエネルギーが抜き取られる物理過程は、発見者の名前にちなんでペンローズ過程と呼ばれている。その後、粒子の崩壊ではなく、２つの粒子の衝突・散乱でも自転しているブラックホールからのエネルギーの抜き取りも起こりうることが指摘され、衝突ペンローズ過程と名付けられた。近年、極大回転しているブラックホールでは、このエネルギー抜きとりの効率がいくらでも高くなりうるという指摘がなされ、現在でも議論は収束していない。帯電しているブラックホールの周りでは、荷電粒子は電気的なポテンシャル・エネルギーを持つため負のエネルギーを持つことができる。
それゆえ、粒子の崩壊や衝突によって荷電粒子が生成されると一方の粒子が負のエネルギ
ーを持ちうるので、ペンローズ過程と同様の機構で帯電しているブラックホールの電気的53

なエネルギーを引き抜くことができるのである。今年度は、自転ではなくこの帯電しているブラックホール周りでの衝突ペンローズ過程に注目し、エネルギーの引き抜きによって時空構造が変化する影響を調べた。この研究は、前田恵一氏、大川博督氏（早稲田大学）
とともに現在も続行中である。
6. 過剰回転 Kerr 時空の安定性について（中尾）	  これまでの研究から、臨界値をわずかに超えた角運動量を持つ Kerr 時空は、事象の地平が存在せず、また重力ポテンシャルが深いので、原理的に観測可能な高エネルギー物理
現象が重力によって実現することが知られている。しかし、過剰回転している Kerr 時空は線形摂動に対して不安定であるという研究結果が２つの研究グループから報告されている。この結果に基づき、この２つの研究グループは、我々の宇宙に過剰回転 Kerr 時空と類似の定常的な時空構造は現れないと主張している。本年度は昨年度に続き境界条件を変更して線形摂動の振る舞いの再解析を現在行なった。この研究は、Pankaj S. Joshi氏,
Jun-qi Guo氏, Prashant Kocherlakota氏 (Tata Institute of Fundamental Research, India)、 田越秀
行氏（大阪市大）、原田知広氏（立教大学）、Andrzej Krolak氏, Mandar Patil氏 (Institute ofMathematics, Polish Academy of Sciences, Poland) らと共同で現在も続行中である。
7. Large D limit（鈴木）	
 4つの相互作用をすべて統一的に記述する究極の理論の有力候補である超弦理論は、時空次元が10ないしは11であることを予言する。この理論に触発され、高次元の古典重力理論
におけるブラックホール解の研究が、現在精力的に進められている。4次元時空の定常な
ブラックホールの事象地平のトポロジーは必ず球ですが、高次元時空では球とは限らない
ことが知られている。それゆえ、ブラックホールという呼び名をトポロジーが球の事象地平を持つものに限定し、一般のトポロジーの事象地平を持つものをブラックオブジェクトと呼んでいる。4次元時空ではブラックホールの安定性が詳しく調べられており，安定であることが知られているが、高次元時空におけるブラックオブジェクトの安定性は、数値的な解析が進められている最中である。ブラックオブジェクト解に多様性があるため、まだ調べ尽くされてはいない。また数値的な解析は、解析的な近似法による解析結果との比
較による結果の確認が必要である。ところで、高次元極限	
 D→∞	
 をとると、摂動に対する基礎方程式は単純な形になり、解析的に解くことができる。我々の研究グループは、KEK及びバルセロナ大学の研究者と協力し、Dを有限だが大きな数字と仮定して、この解にD-1,	
 D-2,	
 D-3...に比例する補正を加えて有限次元の近似解を得る手法を開発した。今年度はブラックホールの高次元有効理論の一般化を研究し、一般的な静的０次解まわりのブラッ
クホールダイナミクスほホライズン上の有効方程式によって記述することに成功した。同様に０次解が回転を含む場合の定常解についてもそのダイナミクスの有効方程式を求めることに成功した。また、D-1	
 補正を含んだ高次元有効理論を数値的・解析的に解くことによってブラックストリングの動的安定性を調べた。これらの研究は	
 Roberto Emparan氏,
Raimon Luna氏,	
 泉圭介氏(Barcelona University, Spain)らとともに進められた。	
 	
 教育・研究業績
著書
該当無し

学術論文
1. Y. Adachi and N. Maru: “Triliniear Gauge Boson Couplings in Gauge-Higgs Unification”,
PTEP 2016 (2016) no. 7, 073B06.

54

2.
3.
4.
5.

N. Maru and N. Okada: “Anomalous Top and Bottom Yukawa Couplings and LHC Run1 Data”,
arXiv: 1604.01150.
K. Izumi, R. Luna, R. Suzuki, K. Tanabe, “Hydro-elastic complementarity in black branes atlarge D”, JHEP06 (2016) 117.
T. Harada, C-M. Yoo, K. Kohri, K. Nakao, S. Jhingan, “Primodial black hole formation in thematter-dominated phase of the Unvierse”, Astrophysical Jouranal, 833 (2016) 61.
H. Negishi and K. Nakao, “Can we remove the systematic error due to isotropic
inhomogeneities?”, Phys. Rev. D95 (2017) 023003.

国際会議会議録
該当なし
国際会議・研究会講演
1. 中尾憲一：「On rapidly rotating geometry」, Banach Center Conference “Singularities of generalrelativity and their quantum fate”, 2016年6月27日-7月1日, Institute of Mathematics PAS,
Warsaw, Poland
2. 丸信人：「D-Term Triggered Dynamical SUSY Breaking」, Progress in Quantum Field Theory
and String Theory II, 2017年3月31日, 大阪市立大学．
3. 鈴木良拓：「Effective theory of gravity in the large D limit」, Theoretical Cosmology Meeting,
2016年5月4日, ICG, University of Portsmouth, UK.
4. 鈴木良拓：「Large D effective theory」, Spanish-Portuguese Relativity Meeting (EREP2016),
2016年9月12日— 15日, Lisbon, Portugual.
5. 鈴木良拓：「Large D effective theory of gravity」, Frieday GR seminar, 2017年3月3日, DAMTP,
University of Cambridge, Cambridge, UK.
6. 鈴木良拓：「Large D effective theory of gravity」, Theoretical Cosmology Meeting, 2017年3月22日, ICG, University of Portsmouth, UK.

国内学会・研究会講演
1. 根岸宏行：「非一様等方宇宙モデル中での密度揺らぎから作られる背景重力波」，日本物理学会秋季大会，2016年9月21日— 24日，宮崎大学木花キャンパス．
2. 原田知広，柳哲文，郡和範，中尾憲一，Sanjay Jhingan：「物質優勢期における原始ブラックホール形成」，日本物理学会第72回年次大会, 2017年3月17日— 20日，大阪大学豊中キャンパス．
3. 中尾憲一：「On collisional Penrose process in charged black-hole spacetime」，第18回特異点研究会，2016年12月27日— 29日，立教大学池袋キャンパス．
4. 中尾憲一：「On stability of superspinar」，新学術領域「重力波天体」A05班合宿，2017年
1月7日— 9日，湖邸滋びわこクラブ．

その他
1. 丸信人：「物理学からの異次元ワールドへのお誘い」, 夢ナビライブ, 2016年6月17日, イ
ンテックス大阪にて講演．
2. 丸信人：「素粒子の世界」, 大阪府高齢者大学校, 2016/6/20, 27, 7/4,
大阪市教育会館にて３週連続講義．
3. 丸信人：「ニュートリノ振動ってなんだろう？」, 第11回大阪の大学「学び」フェア,
2016年7月17日, 近畿大学にて講演．

55

学位論文
修士論文
1. 宮地昴志：「ゲージ・ヒッグス統一模型における暗黒物質の物理」
2. 赤井祐美：「負の張力を持つブレーンで支えられたワームホールの安定性」

博士論文
該当無し

研究助成金取得状況
1.
2.

中尾憲一：日本学術振興会科学研究費補助金・基盤(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
中尾憲一：学長裁量経費A, JGRG26（第26回「一般相対論と重力」国際研究会）参加者への旅費補助100万円

海外出張および海外研修
1.

2.

鈴木良拓：Institute of Cosmology and Gravity, University of Portsmouth, UK, 2016年4月1日—
2017年3月29日「JSPS 頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣プログラム」 による長期滞在共同研究
中尾憲一：Institute of Mathematics, Polish Academy of Science, Walsaw, Poland, 2016年6月25
日— 7月2日, 国際研究会にて成果発表および研究打ち合わせ

外国人研究者招聘
1. Sijie Gao: Professor at Beijin Normal University (China), JGRG26参加者
2. Kaushik Ghosh: Assistant Prifessor at Vivekananda College, University of Calcutta (India):JGRG26参加者
3. Agus Suroso: Assistant Professor at Institut Teknologi Bandung (Indnesia), JGRG26参加者
4. Rajibul Shaikh: PhD student at Indian Institute of Technology Kharagpur (India), JGRG26参加者
5. Masoumeh Ghasemi Nodehi: PhD student at Fudan University (China), JGRG26参加者

その他
1.

JGRG26（第26回「一般相対論と重力」国際研究会）主催,	
 2016年10月24日— 28日，学術
情報総合センター10F・大会議室及び研究者交流室	
 56

数理物理研究室
糸山 浩司 (教授)須山 孝夫 (研究員)
清重 一輝 (M1)
三原大樹 (B4)森山 翔文 (准教授)関 穣慶 (研究員)中山翔太 (D1 委託)
石橋啓一 (B4)矢野勝也 (研修生)

大田 武志 (研究員)
吉岡 礼治 (研究員)
吉持祐加里 (M2)古川友寛 (B4)

研究概要
1. hyperbolic 型 quiver 行列模型での Schwinger-Dyson 方程式（糸山、大田、須山、吉岡）
ABJM 行列模型とその変形版を例にとることにより、resolvent に対する３次の拘束式を導出しその退化状況を調べた。
2. 超対称ゲージ理論の有効作用と行列模型（糸山、矢野）
糸山は上記のテーマに関するこれまで二十数年間の研究をまとめ、物理学会誌に掲載させた。矢野・糸山は、 N = 2 Seiberg-Witten curve を、N = 1 超対称ゲージ理論の maximaly
Higgs phase における小西 anomaly の方程式から基礎付けた。
3. テンソル模型の発展（糸山）
糸山は Mironov Morozov と協力して、Melonic diagram の enhancement が更に強く起きる
tensor 模型を考案した。これを含む一連の模型に対して Ward-Takahashi identity, 或いはVirasoro constraints を考察した。
4. ABJM 行列模型における開弦と閉弦の双対性（清重、森山）
ABJM 行列模型において 2 種類の変形がある。一つはゲージ群のランク変形による部分膜の導入で、計量の変形に対応する閉弦の自由度の変形である。もう一つはウィルソンループの挿入で、ゲージ理論演算子の挿入に対応する開弦の自由度の変形である。初田氏と奥山氏による興味深い先行研究で、いくつかの例で数値計算を行うことにより、ランク変形とウィル
ソンループ挿入が等価であることが発見された。これを受けて、本研究では、開弦と閉弦の双対性が明白となる新しい記述方法を開発した。本研究により、先行研究よりはるかに広い範囲で、開弦と閉弦の双対性を定量的に議論することが可能になった。
5. 超共形 Chern-Simons 理論におけるランク変形（森山、中山）
ABJM 理論の拡張となる超共形 Chern-Simons 理論において、ランク変形のインスタントン
効果を調べた。結果は BPS 指数という整数の組により記述され、複数のランク変形により、整数の組は異なる形で分解されることがわかった。この結果は年度を跨いでプレプリントが公開された。
6. Chern-Simons-matter 理論の large N 極限（須山）
ある一群の Chern-Simons-matter 理論の large N 極限での振舞いを行列模型の手法を用いて解析した。Planar resolvent の微分を扱うことで解析が容易になることを示し、それを厳密に求めた。また、planar resolvent の微分から Wilson loop の期待値に対する明示的な表式を導出した。
7. 散乱粒子の量子もつれ（関）量子もつれを持たない 2 粒子の高エネルギー弾性散乱を考え、2 粒子終状態の量子もつれエントロピーを S 行列理論定式化した。部分波展開を用いることて、散乱途中の非弾性チャンネ
ルの寄与も考慮し、結果として、このエントロピーを物理量で表す公式を発見した。さらに、これを各種加速器実験のデータから評価することを推し進めている。以上は、R. Peschanski（IPhT, CEA-Saclay, フランス）との共同研究である。

57

教育・研究業績
学術論文
1. H. Itoyama, A. Mironov and A. Morozov, “Rainbow tensor model with enhanced symmetry
and extreme melonic dominance,” Phys. Lett. B 771, 180 (2017) doi:10.1016/j.physletb.2017.05.043[arXiv:1703.04983 [hep-th]].
2. H. Itoyama, T. Oota, T. Suyama and R. Yoshioka, “Cubic constraints for the resolventsof the ABJM matrix model and its cousins,” Int. J. Mod. Phys. A 32, no. 11, 1750056(2017) doi:10.1142/S0217751X17500567 [arXiv:1609.03681 [hep-th]].
3. 糸山浩司， 行列模型による超対称ゲージ場の量子論の解明と進展 , 日本物理学会誌，vol.
71, No. 9, 2016, 607-616 (Developments of Supersymmetric Gauge Theory by Matrices,
Hiroshi Itoyama, BUTSURI, the Physical Society of Japan, vol. 71, No. 9, 2016, 607-616.)
4. T. Suyama, “Notes on Planar Resolvents of Chern-Simons-matter Matrix Models,” JHEP
1611, 049 (2016) doi:10.1007/JHEP11(2016)049 [arXiv:1605.09110 [hep-th]].
5. K. Kiyoshige and S. Moriyama, “Dualities in ABJM Matrix Model from Closed String
Viewpoint,” JHEP 1611, 096 (2016) doi:10.1007/JHEP11(2016)096 [arXiv:1607.06414[hep-th]].
6. R. Peschanski and S. Seki, “Entanglement Entropy of Scattering Particles
B 758 (2016) 89.

, Phys. Lett.

国際会議会議録
1. H. Itoyama, “The birth of string theory,” PTEP 2016, no. 6, 06A103 (2016) doi:10.1093/ptep/ptw063[arXiv:1604.03701 [hep-th]].
2. K. Kiyoshige, S. Moriyama and K. Yano, “Prospects of the Nambu Bracket,” PTEP 2016,
no. 6, 06A105 (2016) doi:10.1093/ptep/ptw070 [arXiv:1604.02841 [hep-th]].

国際会議講演
1. H. Itoyama, “Cubic Constraints for the Resolvents of the ABJM Matrix Model and
Its Cousins”, Workshop and School “Quantum Geometry, Duality and Matrix Models”
2016/08/22-2016/08/28, Lebedev Physical Institute, 2016/08/28.
2. H. Itoyama, “q-Virasoro/W block at root of unity, parafermions and 2d-4d connection”,
Physics Department, Beijing University, Beijing, China, June 1, 2016
3. H. Itoyama, “D-term Triggered Dynamical Supersymmetry Breaking , “East Asia Joint
Workshop on Fields and Strings , USTC, Hefei, China, May 29, 2016 招待講演
4. S. Moriyama, “Giambelli Identity in ABJM Matrix Model”, Workshop and School “Quantum Geometry, Duality and Matrix Models” 2016/08/22-2016/08/28, Lebedev PhysicalInstitute, 2016/08/22.
5. S. Moriyama, “Giambelli Identity in ABJM Matrix Model”, Yukawa Institute Workshop“Strings and Fields” 2016/08/08-2016/08/12, Yukawa Institute for Theoretical Physics,
2016/08/08.
6. T. Oota, “Elliptic algebra at root of unity limit,” “Progress in Quantun Field Theory andString Theory II,” 2017/03/27-2017/03/31, Osaka City University, 2017/03/28.
7. S. Seki, “Entanglement Entropy of Scattering Particles”, Institut de Physique Théorique,
CEA-Saclay (フランス), 2016 年 6 月 2 日

58

学会・研究会講演
1. 糸山浩司, “Developments of Supersymmetric Gauge Theory by Matrices”, 量子科学研究所、日本大学理工学部 駿河台校舎 4 号館、2016 年 11 月 9 日
2. 森山翔文, 「超群不変な Chern-Simons 測度の数理」, 2016 年度数学・物理・情報科学の研究交流シンポジウム, 2016/12/17, 奈良女子大学.
3. 森山翔文, 「ABJM 行列模型の対称性」, 関西素粒子セミナー, 2016/11/10, 大阪市立大学文化交流センター.
4. 森山翔文, “Open-Closed Duality in ABJM Matrix Model”, 2016/10/17, 東京大学総合文化研究科.
5. 森山翔文, 「ABJM 行列模型の隠れた関係式」2016/08/17, 理化学研究所.
6. S. Moriyama, “Orientifold ABJM Matrix Model & Chiral Projection”, 2016/06/03, National Taiwan University.
7. 大田武志, 「Loop equations for Chern-Simons-matter matrix models」, 理化学研究所ワー
クショップ「超対称理論の数理的理解の進展」susyiTHES2016, 2016/08/19, 理化学研究所（和光).
8. S. Seki, “Entanglement Entropy of Scattering Particles”, Yukawa International Seminar2016 “Quantum Matter, Spacetime and Information” (ポスター), 京都大学基礎物理学研究所, 2016 年 6 月 15 日.
9. S. Seki, “Entanglement Entropy of Scattering Particles in S-matrix Formalism”, 京都大学
理学研究科, 2016 年 6 月 22 日.
10. S. Seki, “Momentum Space Entanglement Entropy of Scattering Particles”, 近畿大学理工学部, 2017 年 3 月 15 日.
11. 関穣慶, Robi Peschanski, “Entanglement Entropy of Particles in Scattering Processes”, 日本物理学会第 72 回年次大会, 大阪大学豊中キャンパス, 2017 年 3 月 17 日.
12. 清重一輝, 森山翔文, 「ABJM 行列模型における新しい形式とその応用」日本物理学会第 72
回年次大会, 大阪大学豊中キャンパス, 2017 年 3 月 18 日.

学位論文
修士論文
1. 吉持祐加里：「フェルミガス形式を用いた超対称ゲージ理論の解析」

博士論文
1. 矢野航平：「One-loop superstring amplitudes and genus one super-Green’s function（1-ループ超弦振幅と種数 1 の超グリーン関数）」

研究助成金取得状況
1. 糸山浩司：学術振興会 二国間交流事業 ロシアとの共同研究 “Faces of Matrix Models in
Quantum Field Theory and Statistical Mechanics”, 225 万
2. 森山翔文：学術振興会・基盤研究 (C)「チャーン・サイモンズ理論から M 理論へ」80 万円
3. 大田武志（糸山浩司、吉岡礼治）：学術振興会・基盤研究 (C)「予期せぬ対称性とそのベキ根極限から探るゲージ理論と弦理論の可積分構造」143 万円

59

海外出張および海外研修
1. 糸山浩司, Lebedev Physical Institute（ロシア）, 2016/08/20-2016/08/29, Workshop andSchool “Quantum Geometry, Duality and Matrix Models”, 出席, 講演.
2. 糸山浩司, Lebedev Physical Institute（ロシア）, 2017/02/16-2017/02/21 Mironov, Morozovとの共同研究及びセミナー
3. 森山翔文, National Taiwan University（台湾）, 2016/05/31-2016/06/04, セミナー発表.
4. 森山翔文, Lebedev Physical Institute（ロシア）, 2016/08/16-2016/08/29, Workshop andSchool “Quantum Geometry, Duality and Matrix Models”, 出席, 講演.
5. 関穣慶, Institut Henri Poincaré（フランス）, 2016 年 5 月 23 日–2016 年 5 月 25 日, “Number
Theory and Physics”, 出席.
6. 関穣慶, Institut de Physique Théorique, CEA-Saclay（フランス）, 2016 年 5 月 30 日–2016
年 6 月 3 日, 滞在.
7. 関穣慶, DESY Hamburg（ドイツ）, 2016 年 9 月 27 日–2016 年 9 月 30 日, “Rethinking
Quantum Field Theory”, 出席.

その他
1. 2017/03/27-2017/03/31 に学術情報総合センター 10 階の大会議室において、国際会議 “Progressin Quantum Field Theory and String Theory II （量子場理論と弦理論の進展 II）” が開催された。森山と大田が組織委員を務め、糸山、森山、関、須山、吉岡が現地組織委員を務め、また、石橋、清重、古川、矢野が実行協力をした。
2. 森山は後期に奈良女子大学で「量子力学 3」の非常勤講師を担当した。
3. 森山は後期に東北大学より中山の研究指導委託を受け入れた。
4. 糸山は主として小原・荻尾・丸・中尾と協力して大手前高校との高大連携 SSH をさらに推
し進めた。

60

宇宙物理研究室
石原 秀樹
浜端 広充
吉野 裕高

教授
准教授
特任助教

森澤 理之 (数研研究員)
小川 達也 (D2)
寺前 柊斗 (M3）矢久間 司 (M3）安西 悠 (M2)松野 皐 (M1)
穴瀬 信 (M1)高橋 一麻 (M1)
渡部 裕也 (M1)
崔シモン (研究生)

研究概要＜重力理論分野＞
宇宙物理（重力）グループは，アインシュタインの一般相対性理論を基礎として， 宇宙における強い重力場を伴う物理的現象を重点的に研究している．素粒子論研究室とはコロキウム
を共同開催し，研究・教育も協力して行っている．また，数理物理研究室とも盛んな研究交流がなされている．2016年度に行った研究を以下にまとめる．
1. 余等質１の相対論的な紐の運動（矢久間，伊形(立教大)，柳(名古屋大)，古池（慶応大），
森澤，石原）(1) Nambu-Gotoの方程式で記述される相対論的な紐の運動は，幾何学的な対称性を課すことによって，運動方程式を対称性の方向に射影した空間上の測地線方程式に帰着する．
この紐を余等質１の紐という．５次元のAnti-de Sitter時空においてすべての余等質１の紐を分類し，その方程式が可積分であることを証明した．
(2) ブラックホールの周りを剛体回転する余等質１の紐を解析し，力学的カオスが出現することを明らかにした．
また，AdS5 x Tpq 時空の余等質１の紐の運動を数値的に解析し，紐のもつ対称性を変化させたとき，カオスが出現することを見出した．
2.

ヒッグス スカラー場による荷電粒子の電場の遮蔽（小川，石原）
宇宙初期の真空の相転移に際してU(1)対称性が自発的に破れているようなモデルを複素スカラー場，ゲージ場および，Schrodinger方程式で記述される荷電粒子を用いて解析した．
荷電粒子の電場が遮蔽されるような粒子の束縛状態が存在することが明らかになった．

3. Kerr ブラックホールの周りの光の束縛軌道（安西，石原）
Kerr ブラックホールの周りのヌル測地線を有効ポテンシャルの方法で解析した．赤道面内の軌道は良く知られているが，赤道を外れた軌道に関してもCarter定数を用いて解析することができ，その結果，束縛軌道は2つのタイプに分類することができることがわかった．第1のタイプはKerrブラックホールの回転パラメータ―を最大にする極限で，ブラックホールの地平面に漸近する．また，その極限で，光線束のひずみを生成するWeyl曲率がゼロになることを見出した．
4. プラズマ中の球対称非線形密度波による荷電粒子の加速（松野（大阪物療大），高橋（愛知教育大），石原）プラズマ中の非線形平面密度波はソリトンとしてKdV方程式で記述されることが知られている．これを球対称系，および，円筒対称形にに拡張すると，時間とともに，半径が縮み，密度振幅が大きくなるような波動解が存在する．このときの密度の時間依存性を数値計算で調べ，べき則に従うことを明らかにした．

61

＜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）
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，より一般的な2次元，並進対称性，軸対称性および helical 対称性を持つ解を見いだすべく検討中である．
また，自己重力のある非理想の成層流体中で，温度勾配によりつくられる対流力が存在する場合の HALL MHD 方程式の非線形磁気流体波の厳密解についても研究中である．
2次元および並進対称性を持つ解ついては，より一般的な厳密解を見いだすべく研究中である．また，軸対称性および helical 対称性を持つ解についても検討中である．
2. Firehose不安定の非線形発展（浜端）
温度異方性のあるプラズマ中で生じるマクロな不安定である firehose 不安定の非線形発展について，イオンの有限ラーマー半径効果を考慮した CGL 方程式を用いた数値解析
から, firehose 不安定を表す解析解は安定的には存在できず，不安定はカオス的になっていくことを既に明らかにしている．また，空間非一様性の効果の重要性を指摘した．昨
年度に引き続き，空間非一様性の効果を取り入れた firehose 不安定の非線形発展の数値解
析を行いつつある．更に，波動・粒子共鳴相互作用等の運動論的効果を考慮するため，
Vlasov 方程式に基づく理論解析および数値シミュレーションについても検討中である．
3. 大 振 幅 Alfvén波 の パ ラ メ ト リ ッ ク 不 安 定 （ 浜 端 ）大振幅Alfvén波はMHD方程式の厳密解の一つで，そのパラメトリック不安定について
数多くの研究がなされている．大振幅Alfvén波の解はMHDの極限ではVlasov方程式の厳密解でもあるが，そのパラメトリック不安定についてはほとんど研究がない．昨年度に引き続き，大振幅のAlfvén波のパラメトリック不安定への運動論的効果についての研究を
Vlasov方程式に基づいた線形解析によって行っている．非線形発展に関する数値シミュ
レーションについても検討中で，コード開発に取り掛かっており，太陽風プラズマの加熱等への応用についても検討中である

教育・研究業績
学術論文
1. “The bosenova and axiverse”
Hirotaka Yoshino, Hideo Kodama (KEK).
Class.Quant.Grav. 32 (2015) no.21, 214001
2. “Probing the string axiverse by gravitational waves from Cygnus X-1”
Hirotaka Yoshino, Hideo Kodama (KEK).
PTEP 2015 (2015) no.6, 061E01
国際会議発表1. Hideki Ishihara,“Nambu-Goto strings with geometrical symmetry”
The 26th JGRG Workshop, 24-28 Oct. 2016, Osaka City University,
2. Tatsuya Ogawa, Hideki Ishihara“Spherically symmetric non-topological soliton shielding a weak charge in SU(2)×U(1)
gauge theory” (Poster)The 26th JGRG Workshop, 24-28 Oct. 2016, Osaka City University,

62

学会・研究会講演1. 小川達也, 石原秀樹
“Weak charge shielding effect in a symmetry broken phase in SU(2)×U(1) gauge
theory”
日本物理学会 第72回年次大会(2017年) （大阪大 3/17-20, 2017年)
2. 松野皐, 石原秀樹
“Black hole submerged in AdS”
日本物理学会 第72回年次大会(2017年) （大阪大 3/17-20, 2017年)
3. 松野研(大阪物療大), 石原秀樹A, 寺前柊斗, 高橋真聡(愛知教育大)“プラズマ中の密度波ソリトンによる荷電粒子加速”日本物理学会 第72回年次大会(2017年) （大阪大 3/17-20, 2017年)
4. 小川達也, 石原秀樹
“Electrostatic shielding by a scalar field soliton”
日本物理学会2016年 秋季大会（宮崎大 9/21-24, 2016年）
5. 吉野裕高
Photon surface の摂動的唯一性
日本物理学会2016年 秋季大会（宮崎大 9/21-24, 2016年）
6. 小川達也, 石原秀樹
“Weak charge shielding in a symmetry broken phase in SU(2)×U(1) gauge theory”
第18回特異点研究会（立教大 12/27-29, 2016年)

その他
1. 石原秀樹
高津高校 「体験型進路学習 ポスターセッション」講評（7 月 13 日)

研究助成金取得状況
1. 石原秀樹 科研費基盤研究 C（代表）「最大回転ブラックホールのホライズン近傍における対称性と物理現象」

63

原子核理論研究室
有馬正樹
佐藤弘一
菊地右馬

准教授
特任講師
特任講師

山岡有輝也
小林純
豊山日向
加納弘喬
大毛麻友美

(M2)
(M2)
(UG4)
(UG4)
(UG4)

緒方一介 (客員教授)
櫻木弘之(理事・副学長)

研究概要
1.

スキルム模型を用いた軸性ベクトル結合定数の計算（山岡、有馬）
軸性ベクトル結合定数は強い相互作用と弱い相互作用のいずれにも関わる重要な物理量である。バリオン研究においても、この量は常に考察の対象である。本研究で用いる
スキルム模型は、構成クォーク模型と並ぶ代表的な有効模型であるが、その非線形性のために扱いが難しく理解が進んでいない。スキルム模型の理解を深めるために、本研究ではこの模型を量子化し、πN散乱振幅から軸性ベクトル結合定数を導き出した。従来の研究ではスキルム模型がもつソリトン解に由来するゼロモードのみが考慮されていたが、本研究ではそれに加えてソリトン解周りの場のゆらぎを新たに考慮して量子化を行った。
その結果、スキルム模型における場のゆらぎはゼロモードと同程度の重要性をもつことがわかった。これは軸性ベクトル結合定数に限ったことではなく、バリオンに関係する物理量を計算するときには、場のゆらぎを考慮するべきであることを示している。

2.

原子核の大振幅集団運動の微視的理論（佐藤）超流動原子核の大振幅集団運動の微視的理論を構築すべく、断熱的時間依存集団座標(ASCC)法という時間依存平均場理論に基づいて研究を行った。特に理論のゲージ対称性の側面に注目し、理論構造の分析、理論の拡張を行った。ASCC法では、時間依存変分原理の式を断熱近似を用いて解くが、この時断熱近似によって基本方程式のゲージ対称性
が部分的に破れてしまう事を明らかにした。更に、断熱(運動量)展開の高次項を取り込む
事でゲージ対称性が保たれる事を示し、ASCC法ゲージ不変な定式化に成功した(論文1)。

3.

アイソスピン対称性を破る核力を入れた原子核密度汎関数計算（J. Dobaczewski(ヨーク大), W. Satula(ワルシャワ大), P. Baczyk(ワルシャワ大), M. Konieczka(ワルシャワ大), 中務(筑波大), 佐藤)
密度汎関数法はあらゆる質量領域の原子核に適用可能な唯一の理論である。近年、我々は従来の密度汎関数計算では尊重されていなかったアイソスピン対称性を尊重し、陽子と中性子を同種粒子として扱う密度汎関数計算コードを世界で初めて開発した。原子核のアイソスピン対称性は主にクーロン力によって破れているが、核力起源のアイソスピ
ン対称性の破れも存在する。そこで陽子と中性子を同種粒子として扱うとともに、アイ
ソスピンを破る核力の効果を入れた密度汎関数計算コードを完成させ、公開した(論文2)。

4.

中性子過剰核の分解反応の崩壊モードから探るハロー核内の２中性子相関(菊地、緒方、松本、中村、Sun)
共同研究者である中村隆司氏(東工大)、Yelei Sun(仏Sacley研究所)が過去に理化学研究所で測定された6Heの分解反応の分析を行っている。本研究ではハロー核の構造と核内の２中性子相関を観測量から理解することを目指し、理論研究者(緒方氏、松本氏)と実験研究者(中村氏、Sun氏)との議論を行っている。特にここでは断面積を理論計算との比較か
ら定量的に分析し、散乱角とエネルギーを適切に選択することによって、ハロー構造に特徴的な低エネルギー領域における双極子励起強度の導出と核内２中性子相関の直接観測に向けた部分系の普遍質量分布の分析を行っている。

64

5.

9

6.

直線偏光ガンマ線を用いた9Beの崩壊中性子の方位角分布(菊地、緒方、早川、千葉)
ガンマ線を用いた分解反応は主に電気的・磁気的な双極子遷移が支配的な役割を担っており、原子核のスピンパリティに鋭敏である。本研究では直線偏光ガンマ線がつくる電場と磁場の偏光方向が互いに直交するという特徴から、分解後に9Beから放出される崩壊中性子の方位角分布を測定することにより、電気的・磁気的遷移の判別可能であるか、
また、観測量が9Beの構造をどの程度反映するかを議論している。

7.

直交条件模型を用いた12Cの遷移密度分布(小林、菊地、櫻木、古本)
原子核の構造を断面積から理解するためには、構造計算による遷移密度分布が断面積にどのように反映されるかを定量的に議論することが必要である。本研究では3α直交条
件模型を用いて観測されている12Cのエネルギー準位と荷電半径を定量的に再現した上で、従来の理論計算との差異を議論した。

8.

中重核領域におけるクラスター間相互作用と超対称ポテンシャルの有効性(菊地、堀内)
クラスター模型による原子核構造の計算は軽い質量領域では非常に成功しているが、中重核領域への適用例が極めて少ない。これは中重核領域において構成要素となりうるクラスター間の核子の反対称化の効果の取り扱いが非常に困難であるためである。本研
究では中重核における反対称化の効果を超対称ポテンシャルと呼ばれる方法により、ポテンシャルに繰り込むことによってクラスター模型で中重核を取り扱うための簡便な手法を開発するとともにその有効性について検証している。

9.

原子核弾性散乱の系統的分析で探る高密度核媒質内の媒質効果（古本、櫻木、山本）
種々の標的核や種々の入射エネルギーでの 16O 原子
核入射弾性散乱を、複素 G 行列有効核力を用いた微視
的核間相互作用理論に基づいて系統的に分析した。これは、入射エネルギー E/A=70 MeV 近傍での 16O+16O
弾性散乱が核媒質中の多体力（三体力・四体力）モデ
ルの検証に極めて有効である(右図)という我々の一連の先行研究で得られた結論が、より一般的な反応系や衝突エネルギーにも適用できるかどうかを検証する為の研究である。
具体的には、先行研究で最も信頼性が示された有効核力模型である MPa モデル（Multi-Pomeron-exchange(MPP) 模型に基づく三体、四体核力を含む相互作用モデル）を用い、16O 原子核を入射粒子とする弾性散乱に対する多体力の効果を、①標的核を軽い 12C 原子核から重い 208Pb 原子核まで系統的に変化させる、②標的核を 16O 原子核に固定して入射エネルギーを E/A=100 Me か 400 MeV まで段階的に変化させる、という手法で、標的核依存性およびエネルギー依存性を系統的に分析した。その結果、先行研究の結論が異なる条件設定での原子核弾性散乱でも同様に成立することを明らかにした上で、。
多体力等の媒質効果を検証する上で最適条件を探索する基礎を提示した（論文 1-3）

Beの光分解反応と励起モード(菊地、Odsuren、明、加藤)
9
Beの光分解反応はその合成反応の逆反応であり、天体核の興味から調べられてきた。
本研究では合成プロセスに寄与する低励起状態（特に第一励起状態）の構造と高励起状態の崩壊モードの分析を行った。分析により、第一励起状態に関してはα+α+nの３体的な仮想状態であることが理論的に示唆された。また、高励起状態に関しては8Be+nへの崩壊モードが支配的で8Beの励起状態への遷移確率が高いことが示され、9Beの基底状態が特定の幾何学的構造を持っていることと関係していることが示唆された。

65

10. 加速器を用いた 12C+12C 弾性・非弾性散乱実験による核媒質中の多体力効果の探索（W.W.Qu, G.L. Zhang, I.Tanihata, 古本、櫻木、山本、他）
昨年度に引き続き、中国Beihang大学、阪大、理研等の事件グループと共同で、阪大核物理研究センター（RCNP）で行った 12C + 12C
弾性・非弾性散乱実験の微分断面積について、
複素G行列に基づく微視的チャネル結合法を用いた核反応の理論計算を行った。特に中性子星などの高密度核媒質中での多体力（三体力・四体力等）の影響が、地上での加速器実
験での検出可能性について詳細な分析を行った。特に、弾性散乱だけでなく低励起状態への非弾性散乱を矛盾なく説明することを判定条件と設定し、多体力の有無や多体力の種類
による実験データの再現性を分析した。この際、12C原子核の散乱・反応においては、12C原子核の強い集団励起効果があるため、基底状
態と励起状態間の多段階遷移の効果をチャネ
ル結合法により厳密に評価した上で、上記の判定を行った（下図）。
そ の結 果、 ”Multi-Pomeron-exchange (MPP)
模型”に基づく三体・四体力を含む複素G行列
有効核力（MPaモデル）が弾性散乱と非弾性散
乱を、同時に矛盾なく最もよく再現できることが明らかになった。この結果は多体力を含まないケースや異なる種類の多体力を含む有効核力を用いたケースと有為の差が存在する
ことも明らかにした。MPaモデルは中性子星の質量・半径の観測データも矛盾なく再現できる有効核力模型であり、加速器実験による弾性・非弾性散乱の同次測定から、中性子星等の高密度核物質の物性に関する情報を得ることができる可能性を示唆する結果である（論
文4）。

66

教育・研究業績
学術論文
1. K. Sato, “Gauge symmetry breaking in the adiabatic self-consistent collective coordinate method”,
Prog. Theor. Exp. Phys. (2017) 033D01.
2. N. Schunck, J. Dobaczewski, W. Satula, P. Baczyk, J. Dudek, Y. Gao, M. Konieczka, K. Sato, Y.
Shi, X.B. Wang, T.R. Werner, "Solution of the Skyrme-Hartree-Fock-Bogolyubov equations in
the Cartesian deformed harmonic-oscillator basis. (VIII) HFODD (v2.73y): a new version of the
program." Comp. Phys. Comm., 216, 145 (2017).
3. Y. Kikuchi, M. Odsuren, T. Myo, and K. Kato,“Photodisintegration cross section of 9Be up to 16 MeV in the α+α+n three-body model”,
Physical Review C93, 054605 (2016).
4. Y. Kikuchi, K. Ogata, Y. Kubota. M. Sasano, and T. Uesaka,“Determination of dineutron correlation in Borromean nuclei via a quasi-free knockout (p,pn)
reaction”,
Progress of Theoretical and Experimental Physics 2016, 103D03 (2016).
5. T. Furumoto, Y. Sakuragi, and Y. Yamamoto, “Medium effect in high-density nuclear matterprobed by a systematic analysis of nucleus-nucleus elastic scattering”, Phys. Rev. C 94, 2016,
0446206. T. Furumoto, Y. Sakuragi, Y. Yamamoto, “Approach to high-density nuclear matter via
nucleus-nucleus elastic scattering”, ACTA PHYSICA POLONICA B Vol.47, No.3 (2016)
pp.853-858 (DOI: 10.1103/PhysRevC.94.044620)
7. Y.Sakuragi, “Saturation of nuclear matter and many-body forces - nuclear matter in neutron starprobed by nucleus-nucleus scattering - ”, Prog. Theor. Exp. Phys. 2016, 06A106 (25 pages)(invited paper: Nambu, A Foreteller of Modern Physics I) DOI: 10.1093/ptep/ptw072
8. W. W. Qu, G. L. Zhang, S. Terashima, T. Furumoto, Y. Ayyad, Z. Q. Chen, C. L. Guo, A.
Inoue, X. Y. Le, H. J. Ong, D. Y. Pang, H. Sakaguchi, Y. Sakuragi, B. H. Sun, A. Tamii, I.
Tanihata, T. F. Wang, R. Wada, and Y. Yamamoto, “Study of repulsive three-body force andchannel coupling effects via 12C + 12C scattering at 100A MeV”, (in press, PRC, 2017)”
国際会議講演1. K. Sato: "Proton-neutron mixed energy density functional calculations with strong-force iso
spin symmetry breaking", First Tsukuba-CCS-RIKEN joint workshop on microscopic theori
es of nuclear structure and dynamics, 2016年12月12日-16日, 理研仁科センター (Dec. 1213) & 筑波大学(Dec. 14-16)
2. K. Sato, "Gauge symmetry in the large-amplitude collective motion of superfluid nuclei", Recent
Progress in Nuclear Structure Physics 2016(NSP2016), 2016年12月5-23日, 京都大学基礎物理学研究所
3. K. Sato: "Proton-neutron mixed energy density functional calculations with isospin symmetry
breaking", The one-day workshop on "NN and quartet correlations in nuclei", 2016年6月27日,
京都大学基礎物理学研究所
4. Y. Kikuchi, M. Odsuren, T. Myo, and K. Kato,“Photodisintegration cross section of 9Be in the complex-scaled α+α+n three-body model”,
Resonance and non-Hermitian Quantum Mechanics 2016, Osaka University, Osaka, Japan,
August 3-5, 2016.
5. Y. Kikuchi,“Decay modes of resonant and non-resonant continuum states of 6He”,
ECT* workshop on Physics beyond the limits of stability: exploring the continuum, ECT*, Trento,
Italy, October 17-21, 2016.

67

6.

7.

8.

9.

Y. Kikuchi,“Isoscaler dipole response of two-neutron halo nucleus 11Li”,
Workshop on Nuclear Cluster Physics (WNCP2016), Kannai Media Center, Yokohama, Japan,
November 14-17, 2016.
T. Furumoto, Y. Sakuragi, Y. Yamamoto, “The study of nuclear interaction and structure throughmicroscopic reaction model”, International workshop on Towards consistent approaches fornuclear structure and reactions (ECT*, Trento, Italy, on June 6-10, 2016)
T. Furumoto, Y. Sakuragi, Y. Yamamoto, “Medium Effect Over Normal Density Probed By
Nucleus-nucleus Elastic Scattering”, International Nuclear Physics Conference (INPC 2016)(Adelaide, Australia, 11 - 16 September 2016, poster presentation)
T. Furumoto1, Y. Sakuragi and Y. Yamamoto, “Nuclear medium effect over normal density
understood from heavy-ion elastic scattering”, abstruct for The 14th International Symposium on
Nuclei in the Cosmos (NIC-XIV) (June 19-24, 2016, Niigata).

学会・研究会講演
1. 佐藤弘一: “Proton-neutron mixed density functional calculation withisospin-breaking nuclear interaction”, RCNP Theory Seminar 2016年6月15日
大阪大学核物理研究センター
2. 佐藤弘一:「超流動原子核の大振幅集団運動におけるゲージ対称性 II」 日本物理学会
2016 年秋季大会 2016 年 9 月 21-24 日 宮崎大学
3. 佐藤弘一: 「大振幅集団運動の微視的理論におけるゲージ対称性とその破れ」研究会『クラスター・平均場の両側面からみる原子核構造の多様性とそのダイナミクス』2017年1月
19-20日 大阪市立大学
4. 佐藤弘一:「Adiabatic SCC 法におけるゲージ対称性の破れ」日本物理学会第 72 回年次大会 2017 年 3 月 17-20 日 大阪大学
5. 菊地右馬、M. Odsuren、明孝之、加藤幾芳：「複素座標スケーリングされたα+α+n 3体
模型による9Beの励起共鳴状態の構造」、日本物理学会2016年秋季大会、宮崎大学木花キ
ャンパス、2016/9/21-24
6. 菊地右馬：「ノックアウト反応で探るハロー核内の２中性子相関」、研究会「クラスター・平均場の両側面から見る原子核構造の多様性とそのダイナミクス」、
大阪市立大学杉本キャンパス学術情報センター、2017/1/19-20.
7. 菊地右馬：「Two-neutron correlations in breakup and knockout reactions of halo nuclei」、
日本物理学会第72回年次大会シンポジウム、大阪大学豊中キャンパス、2017/3/17-20
8. 菊地右馬、明孝之、加藤幾芳：「2中性子ハロー核11Liの愛想スカラー双極子遷移」、
日本物理学会第72回年次大会、大阪大学豊中キャンパス、2017/3/17-20
9. 加藤幾芳、菊地右馬、明孝之、M. Odsuren、V. Vasilevsky、N. Takibayev：「9Be核における仮想状態」、日本物理学会第72回年次大会、大阪大学豊中キャンパス、2017/3/17-20

その他
1. 1. K. Sato, "Gauge symmetry in the large-amplitude collective motion of superfluid nuclei" ,RIKEN Accel. Prog. Rep. 2015 vol. 49, p7, (2016) [理研仁科センター紀要. HIGHLIGHTS OF
THE YEARに選出]
2.
大阪市立大学と大阪大学核物理研究センター共催の研究会「クラスター・平均場の両側面から見る原子核構造の多様性とそのダイナミクス」の世話人(佐藤、菊地：連絡責任者)

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学位論文
修士論文
1. 山岡有輝也：「スキルム模型での軸性ベクトル結合定数」
2. 小林純：「3α直交条件模型による12Cの遷移密度」

研究助成金取得状況
1.

櫻木弘之：日本学術振興会科学研究費補助金・基盤研究Ｃ（H27～H29）「複素G行列有効核力に基づく微視的核反応研究の新展開」（H28年度分 50万円）

海外出張および海外研修
1.

ECT* workshop on Physics beyond the limits of stability: exploring the continuum, ECT*, Trento,
Italy, October 17-21, 2016.

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