カー時空中の光の束縛軌道

Bound photon orbits in Kerr spacetimes
宇宙物理・重力研究室
安西 悠
（学籍番号
M15SA026 ）ブラックホールは光が光的無限遠に到達できない領域を持つ時空構造であり、遠方の観測者はブラックホールを直接観測することはできない。この宇宙にはブラックホールの周りの物理現象を観測することにより、多くのブラックホールが存在していると考えられており、その観測のための研究が進められている。
相対論では重力は曲がった時空として記述され，天体の周りでは光の軌道が曲がる．ブラックホールの周りでは重力が強く、時空が大きく曲がっているため、ブラックホールの周りを何周か回ってから無限遠へと脱出するような光線が存在する。このような光の軌道はブラックホールの周りに光の束縛軌道の存在から導かれ，この軌道を観測することはブラックホールの有力な証拠となる．
本研究では、回転するブラックホールを記述する Kerr 時空を考え、光の束縛軌道について考察する。Kerr 時空は，回転の度合いを表すスピンパラメータ a が質量 M より小さいときはブラック
ホールを表し，a が M より大きいときは事象の地平面がなく，裸の特異点をもつ時空を表す．a がM に近いブラックホールから，a が M を超える時空について光の束縛軌道を解析し，これらの軌
道の観測的な示唆について論ずる．

図 1: 光の束縛軌道の例

参考文献：

1. Arne Grenzebach, Volker Perlick, and Claus L ä mmerzahl, Phys. Rev. D 89, 124004 (2014)
2. Teo, E. General Relativity and Gravitation (2003) 35: 1909.

対称性をもった時空中の余等質１のストリング

Cohomogeneity-one strings in symmetric spacetimes
宇宙物理・重力研究室
矢久間
(学籍番号
M14SA028 )司

宇宙における真空の相転移で生成されると考えられているコスミック・ストリングなどの位相欠陥
や超流体中の量子渦，また，統一理論における基本弦など，拡がりをもった物体は，自然界のいろいろな場面で重要な役割をなすと考えられている．拡がりをもった物体として南部‐後藤ストリン
グを考えると，その運動は時空 (target space) を掃く２次元世界面の面積を最小にする物体として記述され，運動方程式は偏微分方程式となる． 本研究では，ストリングの世界面に幾何学的対称性を課すことによって，ストリングの運動方 程式を常微分方程式に帰着したものを考える．このようなストリングは, その世界面に時空の連 続な等長変換群を生成するベクトル場 (Killing ベクトル場)
が接しており, 余等質１のストリング (Cohomogeneity-one string) と呼ばれる． 有限自由度の力学
系が, 自由度と同じ個数の可換な保存量が存在する場合，その系を Liouville 可積 分系と呼ぶ．様々な対称性をもった時空を考えたとき，余等質１ストリングの力学系が Liouville 可 積分になるかどうかを調べた．具体的に，ストリングが運動する時空として, 最大対称空間である AdS 時空とそれを変形した時空，および，超対称性と関連して興味を持たれている T(1,1) 空間に ついて，余等質
１ストリングの力学系の可積分性を数値計算の結果から考察する

参考文献:

1. H.Ishihara and H.Koike, Phys. Rev. D 72, 061701(R) (2005)
2. T.Koike et al., Phys. Rev. D 77, 125003 (2008)
3. T.Igata et al., Phys. Rev. D 86, 104020 (2012)フェルミガス形式を用いた超対称ゲージ理論の解析

Study of supersymmetric gauge theories
by using the Fermi-gas formalism
数理物理研究室（学籍番号吉持 祐佳里M15SA031 ）M 理論は、5 種類ある超弦理論をまとめる統一理論だと期待されており、「ブレーン」と呼ばれる膜を基本構成要素として扱う。ブレーンには様々な次元のものがあり、重ねることや、交差させることによって、多様な理論を実現することができると考えられている。つまり、超弦理論が統一理論となるためにはブレーンの解明が欠かせない。ブレーンで表現される場の理論の中に、我々の世界を記述する理論が含まれていれば、超弦理論は統一理論となり得る。これまで、 そのような理論は見つかっていないが、ブレーンの謎の解明のために、我々の世界の一部分に着目した理論が 構成されてきた。さらに、ブレーンを理解するためには、我々の世界を直接記述しない理論であっても、いくつか統計的に調べ、その背後にある普遍性や法則性などを見出すことも重要である。
Ｍ理論では、10+1 次元空間の中にある、2 次元空間への広がりを持つブレーン (M2 ブレーン)と 5 次元空間への広がりを持つブレーン (M5 ブレーン) の 2 種類のブレーンに着目する。本修士
論文では、M2 ブレーンに着目する。M2 ブレーンは、２次元空間への広がりを持つので、その運動は時間方向を含め 3 次元のゲージ理論によって記述される。3 次元においてゲージ不変な作用にChern-Simons(以下 CS と略す) 項があり、CS 項を作用として用いる理論は CS 理論と呼ばれる。
CS 理論はしばしば、「クイバー」と呼ばれる形に限る、つまり、ゲージ群は U (N )(N は行列のサイズ) の積であるものとし、物質場はそれらの双基本表現に属するような場合で議論される。Aharon,
Bergman, Jaﬀeris, Maldacena は、CS 理論の超対称性化を最大に行い、M2 ブレーンを N 枚重ねた時の低エネルギー有効理論 (ABJM 理論 [1]) を構築した。そして、局所化法 (localization) という計算手法により、無限次元の積分である経路積分で表されていた物理量の計算を、有限次元の積分で表される行列模型 (matrix model) に帰着させることができた。その後、ABJM 行列模型は「フェルミガス形式 (Fermi gas formalism[2])」と呼ばれる手法によって、相互作用のない理想フェルミ気体の分配関数として定式化された。
本修士論文では、フェルミガス形式を用いた ABJM 行列模型の解析のレビューを行い、局所化法 (localization) による超対称 CS 理論の発展を概観し、M2 ブレーンの研究の発展についての議論
する。

参考文献：

1. O. Aharony, O. Bergman, D. L. Jaﬀeris, and J. Maldacena, JHEP 0810 (2008) 091.
2. M. Marino and P. Putrov, J. Stat. Mech. 1203 (2012) P03001.
3. A. Kapustin, B. Willett, and I. Yaakov, JHEP 03 (2010) 089.
4. J. H. Schwarz, JHEP 0411 (2004) 078.

3α 直交条件模型による 12C の遷移密度
Transition densities of 12C using the 3α-othogonality condition
method
原子核理論研究室
小林 純(学籍番号M15SA008 )12 C の原子核の励起状態は強束縛な系である、α 粒子をサブユニットとする

α クラスター構造を持つことが知られており、その構造を調べることは非常に興味深い問題である。12 C のクラスター
構造を実験的に明らかにするには、クラスター構造が 12 C の散乱断面積にどのように反映されるのかを反応計算との比較から分析することが必要となる。散乱断面積の理論計算では、基底状態及び励起状態間の遷移の強さを決める遷移密度や反応の Q 値を決める各状態の励起エネルギーが重要なインプットとなる。
12 C の構造計算は共鳴群法や直交条件模型によって既に行われているが、共鳴群法では励起エネル
ギーの再現性に不十分さがある。他方、直交条件模型では励起エネルギーの再現性は良いが、状態間の遷移密度はこれまで計算されていない。
本研究の目的は、3α 直交条件模型による先行研究を拡張し、より信頼性の高い反応計算のインプットを構築することである。ここではまず、模型を用いて 12 C の構造計算を行い、励起エネルギーや半径の再現性を確認する。その後、各状態間の遷移密度の計算を行い、3α 共鳴群法による先行研究の計算結果との比較を行う。

+

41

−

31

3.50

3.57

2.35

2.37

+

02

0.77

0.29

0 threshold energy
+

21

−3.19

3.30

−3

エネルギー[MeV]

今回の計算

−

11

遷移密度 [fm ]

5

0

6.81
6.47

1.90
0.64
0.24

−2.84

−0.1

共鳴群法

−4.73

−5
+

01

−7.29

今回

−7.27

実験値[4]−7.50

共鳴群法[2]0

24
重心からの距離 [fm]6

図 1: 各状態の励起エネルギーの計算結果。実験値
図 2: 基底状態、第一励起状態間の遷移密度の計算
及び共鳴群法による計算結果と、今回の計算結果
結果。共鳴群法による先行研究の計算結果とは形を比較している。
状が大きく異なっていることが見て取れる。

スキルム模型での軸性ベクトル結合定数

Axial vector coupling constant in the Skyrme model
原子核理論研究室
山岡 有輝也(学籍番号M15SA028 )ハドロンはクォークおよびグル―オンからなる構成粒子である。これは原子核の構成要素であり、その構造からバリオンとメソンの２つに分類される。
ハドロンの性質は量子色力学 (QCD) を用いて研究されるものである。ここで QCD とは SU(3)のゲージ対称性に基づいたゲージ場の量子論のことであり、クォークに新たな内部自由度としてカラーを導入したものである。ハドロンを構成するような低エネルギー領域ではクォークの閉じ込め現象があることが知られており、これはクォーク間の力が強くなることを意味している。したがって、高エネルギーでの研究とは異なり、ハドロンの場合には摂動論を使うことができない。
本研究では低エネルギーでのハドロンを扱うために、有効模型を用いてハドロンの性質を考えた。
この有効模型の例として構成クォーク模型やスキルム模型があることが知られている。構成クォー
ク模型とは、３つのクォークの束縛状態としてハドロンの状態を記述しようとする模型である。この模型は、その使い易さ故に広く研究され、多くの物理量の説明を可能にした。しかし、同時にこの模型では解決できない問題もあることも明らかになった。例えば Missing mass などの「理論値では存在するが実験値では存在しない状態」や、理論値と実験値が大きくずれる Λ(1405) などである。
スキルム模型は 1960 年代に T.H.R.Skyrme によって考案されたハドロンの有効模型である。この模型は構成クォーク模型とは全く異なる形で QCD の性質やカイラル対称性をよく反映している。
カイラル対称性が自発的に破れることによって生じる南部・ゴールドストンボソンが π 中間子であり、この π 中間子が構成するソリトンを用いてバリオンを記述しようとする有効模型がスキルム模型である。ここで、π 中間子とは約 140MeV の小さい質量をもったメソンであり、またスピンとア
イソスピンが０と１の擬スカラー粒子である。
スキルム模型と構成クォーク模型ではバリオンの捉え方が全く異なるので、これらを相補的に用いることでバリオンの複雑な性質を多面的に調べることができる。そこで、構成クォーク模型では解決できない問題に取り組むために、スキルム模型を用いてハドロンの性質を調べることにした。
先行研究として G.S.Adkins らはスキルム模型においてアイソスピン成分の量子化を行い様々な物理量を計算した。その結果では陽子、中性子、∆ 粒子の磁気能率および電荷分布などを約 30%以内の誤差で再現している。しかし、π 中間子・核子間相互作用を決める軸性ベクトル結合定数 gA に関しては、実験値と大きくずれている。
本研究ではスキルム模型のアイソスピン成分の量子化だけでなく、ゆらぎを含めた完全な量子化を行った。そして、先行研究で問題があった gA を考え、そのゆらぎの量子化の効果を調べてみた。
その結果、この効果はアイソスピン成分の量子化の効果と同程度の寄与を gA に対して与えていることを確認した。このことから、ゆらぎの量子化がハドロンに関する他の物理量にも影響を与える
可能性を秘めており、スキルム模型を用いたハドロンの研究にはゆらぎの量子化の効果を含めた議論が必要であることがわかった。

負の張力を持つブレーンで支えらた
ワームホールの安定性

The stability of wormhole
supported by negative tension brane
素粒子論研究室
（学籍番号

赤井 祐美
M15SA001 ）Wormhole とは 2 つの異なる宇宙、もしくは宇宙の離れた 2 点間を繋ぐトンネルのような時空構造のことである。このような時空構造を持つ wormhole を星間空間旅行に利用可能かどうかは、M.
Morris と K. Thorne が先駆けとなり、議論されてきた。
一般相対性理論が正しければ、wormhole 構造を持つためには null energy condition (光線に沿って観測するエネルギー密度が正：Tµν k µ k ν > 0) を破る exotic matter を必ず必要とすることがわかっている。M. Morris と K. Thorne の論文 [1] では Hawking 効果などの量子効果から exotic matterの存在可能性について言及しており、exotic matter の存在を否定はできないと述べている。

Wormhole を星間空間旅行に利用できるか否かを考える上で、線形、非線形を問わず摂動に対する wormhole の安定性を調べることは非常に重要なことである。しかし、非線形摂動についての安定性は線形摂動についての安定性よりも扱うのが難しく、まだ十分に調べられていない。本研究では、wormhole に球対称 dust thin shell を通過させることで非線形の摂動を wormhole に加えた。
その結果、摂動を受けた wormhole が存在し続ける条件を解析的に調べた。
本研究で想定している状況は次の通りである。負の張力を持ったブレーンによって支えられる球
対称 thin shell wormhole を球対称 dust thin shell が通過する。2 つの shell は同心円上に存在し、2 つの shell の相互作用は重力のみとする。Wormhole の両側は dust shell 通過前は wormhole を挟んで同じ計量で記述できるとする (鏡像対称)。この時の外部時空は Reissner-Nordström 時空である。ここで用いている手法は K. Nakao と T. Uno、S. Kinoshita の論文 [2] と同じ手法である。
結果として、dust shell 通過後も wormhole が潰れない条件が得られた。本講演ではこの結果についてお話する。

参考文献：

1. M.S. Morris and K.S. Thorne, Wormholes in space-time and their use for interstellar travel:
A tool for teaching general relativity, Am. J. Phys. 56, 395 (1988)
2. Ken-ichi Nakao, Tatsuya Uno, Shunichiro Kinoshita. What wormhole is traversable? A caseof a wormhole supported by a spherical thin shell. Physical Review D 88:4. (2013)
3. T. Kokubu and T. Harada, Negative tension branes as stable thin shell wormholes, Class.
Quant. Grav. 32, 205001 (2015)

ゲージ・ヒッグス統一模型における暗黒物質の物理(Dark Matter physics in Gauge-Higgs Unification)
素粒子論研究室 宮地昂志*（学籍番号：M15SA024）
我々に身近な通常の物質（バリオン）は、Planck 衛星による宇宙マイクロ波背景放射（Cosmic Microwave Background（CMB））の観測により、宇宙の全エネルギーの数パーセント程度を占めるにすぎず、そのおよそ 5～6 倍は未知の物質が占めていることが分かってきた。その未知の物質は「暗黒物質（Dark Matter）」と呼ばれている。
暗黒物質は、銀河団や渦巻銀河の観測からその存在は確実視されている一方、それに関する様々な実験が世界中で活発に行われているにも関わらず、その正体はいまだ不明のままである。また、素粒子の標準模型（the Standard Model）では暗黒物
質の正体およびそれによる観測事実を説明できていない。ここから、標準模型を有効理論とするもっと基礎的な物理が存在し、その理論によって暗黒物質が説明できるのではないかということが示唆される。ゆえに、標準模型で説明できない暗黒物質について研究する上で、標準模型を超える物理の理論モデルを考えることは大変有効な手段であるといえるだろう。この標準模型を超える物理の理論モデルの一つにゲー
ジ・ヒッグス統一模型がある。これは高次元のゲージ理論であり、標準模型のヒッグス場を高次元ゲージ場の余剰空間成分と同一視する理論モデルである。本研究では、SU(3) triplet の bulk fermion を extra fermions として導入した、5 次元 SU(3)×U(1)’ゲージ・ヒッグス統一模型を採用する。Extra fermions のうち、質量の最も軽いと考えられるフェルミオンを暗黒物質とみなす。そしてこの理論の free parameter に対して、暗黒物質探索実験 LUX による実験的制限および Planck 衛星による観測的制限を回避できるパラメータ領域が存在するかどうかを検討する。
*e-mail: miyaji@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：
1. N. Maru, T. Miyaji, N. Okada and S. Okada, in progress.
2. N. Maru and N.Okada, Phys. Rev. D 87, no. 9, 095019 (2013) [arXiv:1303.5810[hep-ph]].
3. D. S. Akerib et al. [LUX Collaboration], Phys. Rev. Lett. 118, 021303 (2017)[arXiv:1608.07648 [astro-ph.CO]].
4. S. Kanemura, S. Matsumoto, T. Nabeshima and N. Okada, Phys. Rev. D 82, 055026(2010) [arXiv:1005.5651 [hep-ph]].

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

Development of Event Reconstruction Software for the Telescope
Array Fluorescence Detector and Evaluation of Performance of theTelescopes at the Middle Drum Station
宇宙線物理学研究室
大野木 瞭太
（学籍番号M15SA003 ）最高エネルギー宇宙線と呼ばれる 1018 eV 以上のエネルギーを持つ宇宙線は爆発的な天体現象
により加速される，というのが有力な説だが，宇宙線が発見されてから 100 年以上経った今でもその起源や宇宙線の組成などは明らかになっていない．その解明は，宇宙線物理学において最も興味深いトッピクの一つである．この最高エネルギー領域の宇宙線を観測している実験が，北半球のTelescope Array(TA) 実験と南半球の Auger 実験である．両実験共に，エネルギースペクトルと宇宙線の質量組成を測定している．エネルギースペクトルについて，系統誤差の範囲内ではあるが両者の結果は完全には一致しない．例えば，“ankle” と呼ばれるエネルギースペクトルの折れ曲がり構造が一致するようにエネルギースペクトルをシフトさせても，最高エネルギーの端の “cutoﬀ” の構造は一致しない．この問題を解決するためには，統計量を増加することと同時に，エネルギーと
化学組成の決定精度を向上がさせることが必要である．
日米韓露国際協力による最高エネルギー宇宙線観測実験である TA 実験は，米国ユタ州で行われており，2008 年 5 月より定常観測を継続している．TA 実験は約 700 km2 の領域に展開された 507 台の地表検出器 (Surface Detector, SD) からなる空気シャワーアレイを有し，常時 97 % 以
上の稼働率で運用している．これに加えて，3 つのステーション (Black Rock Mesa(BRM)，Long
Ridge(LR)，Middle Drum(MD)) に合計 38 台の大気蛍光望遠鏡 (Fluorescence Detector, FD) が設置され，月の無い晴れた日の夜間に観測が行われている．

BRM ステーションと LR ステーションの FD は TA 実験用に新たに設計，製作，設置された．
一方で，MD ステーションには HiRes 実験で使用されていた FD が移設された．BRM ステーショ
ンと LR ステーションの観測データは米国と日本でそれぞれで独立に開発された 2 種類の解析ソフ
トウェアによって解析されているが，MD ステーションの観測データは HiRes 実験で使用されていた解析ソフトウェアをベースに開発されたソフトウェアによる解析のみが行われている．
本研究では，日本で BRM/LR ステーションのために開発された標準解析ソフトウェアに，MD
ステーションのための解析ソフトウェアを組み込むことで，全ての大気蛍光望遠鏡データを解析できるイベント再構成ソフトウェアを開発し，旧 HiRes とは独立に MD ステーションの観測データを解析できるようにした．これにより，3 つのステーションの観測データを 1 つ解析ソフトウェア
で解析することができ，3 つのステーションの任意の 2 つの組み合わせのステレオ事象の解析が可能になった．これにより，ステレオ事象の統計量が約 3 倍になるという飛躍的な増加が期待される．
本論文では，イベント再構成ソフトウェアの詳細やソフトウェア内での MD ステーションの取り扱いについて述べる，さらに，MD ステーションのためのシミュレーションソフトウェアを使い生成した空気シャワーイベントデータを解析することで，このイベント再構成ソフトウェアの単眼
再構成決定精度を評価した．また，HiRes 実験ベースの解析ソフトウェアと決定精度を比較した．

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
Study of the method of geometry reconstruction
for the TALE surface detector array andevaluation of its accuracy with Monte Carlo simulations
宇宙線物理学研究室
岸上 翔一
（学籍番号
M15SA007 ）宇宙線物理学で、現在最も重要な課題の一つは宇宙線のエネルギースペクトルの 1017.5 eV 付近に見られる’2nd knee’ と呼ばれる折れ曲がり構造の解明である。この’2nd knee’ を挟んだ領域で宇宙線の質量組成が重い原子核から軽い原子核へと遷移するという結果が報告されている。銀河系内で陽子が 1018 eV 以上のエネルギーまで加速される可能性は非常に低いと考えられており、銀河系内起源で最も高いエネルギーを持つ宇宙線は、磁場による閉じ込め効果が高い鉄原子核だと考えられていることから、この’2nd knee’ は宇宙線の起源が銀河系内から銀河系外へと遷移していることと対応していると考えられている。
しかし、このエネルギー領域での現在報告されている質量組成の観測結果は系統誤差が大きい。
そのため、このエネルギー領域の宇宙線の質量組成とエネルギースペクトルを小さな系統誤差で精密に測定し、銀河系内宇宙線から銀河系外宇宙線への遷移を明らかにするために TA Low energy
Extension(TALE) 実験が進行している。TALE 実験は Telescope Array(TA) 実験に隣接して、10 台の大気蛍光望遠鏡 (Fluorescence Detector, FD) と 103 台の地表検出器 (Surface Detector, SD) を設置し、大気蛍光望遠鏡と地表検出器の 2 種類の異なる検出器で同時に宇宙線を観測することで、組
成とエネルギースペクトルを小さな系統誤差で精密に測定し、さらに TA 実験とも連動することで幅広いエネルギー範囲で組成とエネルギースペクトルを観測する。TALE 実験の大気蛍光望遠鏡は既に観測を開始しており、また、地表検出器はすでに 35 台が設置されており、内 16 台はエレクト
ロニクスもインストールされ、地表検出器アレイとして稼働している。
大気蛍光望遠鏡、地表検出器は一次宇宙線を直接観測するのではなく、一次宇宙線が大気中の原子核と相互作用し粒子の多重発生を起こすことで発生する空気シャワーを観測している。大気蛍光
望遠鏡はこの空気シャワー全体をカロリメトリックに観測するので、シミュレーションに対する依存性が少なく、小さな系統誤差でエネルギーの決定することができ、さらに、空気シャワーの縦方向の発達を観測することができるので、質量組成も測定が可能である。しかし、大気蛍光望遠鏡はシャワーのジオメトリを決定するのが難しい。これに対して、地表検出器を空気シャワーアレイとして動作させることで、個々の地表検出器に空気シャワーが到来した時間差と、粒子数を用いてジオメトリを決定することができる。このジオメトリ決定方法は、大気蛍光望遠鏡のジオメトリ決定
精度よりも精度が良いので、地表検出器でジオメトリを決定し、大気蛍光望遠鏡でエネルギーと組成を決定するハイブリッド観測で、組成とエネルギースペクトルを系統誤差を少なく精密に測定することが期待できる。そのため、地表検出器アレイで宇宙線のジオメトリを決定する手法の研究は非常に重要である。
そこで本研究では、TALE 実験の地表検出器で得られたデータから、宇宙線のジオメトリを求める解析プログラムを開発した。また、空気シャワーモンテカルロシュミレーションで作られたイベントを解析して、解析プログラムのジオメトリ決定精度を定量的に求めた。

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
Development of a new data acquisition system for the TALE
surface detector array
宇宙線物理学研究室
高橋 優一
（学籍番号
M15SA011 ）宇宙線物理学という研究分野で、現在最も興味深いトピックスの一つは”2nd knee” である。”2ndknee” とは宇宙線のエネルギースペクトルの 1017.5 eV 付近に見られる折れ曲がり構造である。

1017 eV 付近のエネルギー領域では宇宙線の主成分は重い原子核であると、これまでのさまざまな観測から推定されているが、一方で、より高エネルギーの 1018.2 eV∼1019.5 eV 領域では、Telescope
Array（TA）実験は宇宙線の主成分は陽子 100% と矛盾がなく、そうでなくとも軽い原子核が主成分であると結論している。銀河系内の天体で生成・加速が可能な宇宙線のエネルギーはたかだか
1017 eV 程度であると考えられていること、“2nd knee” を境として宇宙線の組成が異なっているのではないかと考えられていることから、この “2nd knee” の折れ曲がり構造は、宇宙線の起源がエネルギーの増加とともに銀河系内から銀河系外へと移り変わっていることに対応しているのではな
いかと考えられている。
そこで、この興味深い “2nd knee” エネルギー領域の組成とエネルギースペクトルを、小さな系
統誤差で精密に測定するために、TA Low Energy extention (TALE) 実験が進んでいる。TALE
実験は TA 実験の検出可能な一次エネルギーの範囲を低エネルギー側に拡張する実験で、TA 実験に隣接して、10 台の大気蛍光望遠鏡 (Fluorescence Detector: FD) と 103 台の地表検出器 (Surface
Detector: SD) を設置する。SD は約 70 km2 にばらまかれて設置され、それぞれの SD がタワーと呼ばれる通信塔の中央制御計算機に無線通信でデータを送信するという形で地表検出器アレイとしての運用とデータ収集を行なう。現在、通信塔と 35 台の SD が設置され、うち 16 台の SD は SD エ
レクトロニクスもインストールされ、地表検出器アレイとして稼働している。また、残りの SD は2017 年 2 月に設置する予定である。
本研究では TALE 実験用に選定された新しい無線 LAN モジュールに合わせて、SD エレクトロニクス内の FPGA のファームウェアを新たに開発し、新型 SD エレクトロニクスを製作した。選定された新しい無線 LAN モジュールはホストインターフェイスに UART や SPI を採用しており、無線通信は一般的な TCP/IP プロトコルで行われる。TA 実験で使用されている無線 LAN モジュー
ルは独自のプロトコルを使用していたため、新型 SD エレクトロニクスのファームウェアは FPGAと無線 LAN モジュール間のインターフェース部分が大きく変更されている。
さらに TALE 実験では、通信塔に新たに無線 LAN アクセスポイントとタワーの中央制御計算機(タワー PC) を LAN ケーブルで接続して配置し、タワー PC 上のソフトウェアで運用とデータ収集を行うことにした。このためのソフトウェアも新たに開発した。
ソフトウェアの完成後、米国ユタ州の TALE 実験地表検出器アレイ (14 台の SD を運用した) にて、新型 SD エレクトロニクス、アクセスポイント、タワー PC を用いた新規データ収集システムの運用試験を実施した。その結果、約 1 週間の安定稼働に成功し、1 台のタワー PC で、計算上約80 台の SD とデータ収集ができることがわかった。以上の結果から、2017 年 3 月より、新規データ
収集システムを使用して TALE 実験地表検出器アレイ (SD80 台) にてデータ収集を開始することが決定した。

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
Development of Data Acquisition System and data Analysis
programs for OCU Air Shower Experiment Array
宇宙線物理学研究室（学籍番号Rosa Mayta Palacios
M15SA301 ）In order to study cosmic ray by secondary particles it is used an air shower experiment thatis installed in Osaka City University on top roof of the Faculty of Science. Where it is deployed
18 detectors ground detectors, this array is focus on detecting secondary particles of cosmic raysin energy from 1013 to 1015 eV. In this work I report the set up of a new data acquisition system(DAQ) and the simulation studies were made for the data analysis.
Then first part of this work is dedicated to study the process of data acquisition system ofcosmic of air shower with a new new DAQ controller what is based on single board PC (CC/NET by Daiei Musen Denki Co.,Ltd.) with a quick response and fast data readout. This
CC/NET which has the main function for collecting data of output current from each detector,
which is proportional to the number of hit particles on the detector from ADC(Analogue to
Digital Converter) modules, and arrival times of particle on the detectors from TDC(Time Digital
Converter) modules. Following the triggering condition which is coincidence of four detector hits
within the gate window of 100 ns, a set of application programs to handle the hardware modules
updates in the frame of interacts with the CAMAC interface and storage of the data on a PC
using the corresponding data transferred through Network File System.
On the other hand, in order to evaluate the performance and characteristics of this air shower
array, Monte Carlo studies were made on extensive air showers. I developed a program that simulate the array of the air shower experiment at OCU and then I have used Monte Carlo data thatwere generated by package called ”CORSIKA”, the widely used and global standard of air shower
simulation for a detailed simulation of extensive air showers initiated by high energy primary cosmic ray. The simulated data were analyzed by using the analysis program that was developed toanalyze real data, and the performance of the air shower array and the accuracies of the analysis
program were evaluated. Then I confirmed that several parameters such as shower size (= total
number of particles in a shower), arrival direction and core position are in a reasonable agreement
between reconstructed and Monte Carlo as predicted. In this way it was also determined thesensibility of the primary energy as well as calculated the eﬀective area which is given by the triggering condition, and it was examined the accuracy in the shower arrival direction determinationby comparing the direction of simulated the showers and those of the reconstructed showers, witha good angular resolution in the order of 2◦ for vertical air showers.

新ニュートリノ検出器 INGRID Water Module の製作及びINGRID との飛跡再構成

Production of new neutrino detector, INGRID Water Module, andstudy of track reconstruction with it
高エネルギー物理学研究室
原田 潤（ 学籍番号
M15SA019 ）T2K(Tokai to Kamioka) 実験は、茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設 (J-PARC) で生成したニュートリノを 295 km 離れた岐阜県神岡町にあるスーパーカミオカンデで検出し 、ニュート
リノ振動のパラメータの精密測定を行う長基線ニュートリノ振動実験である。この実験ではビーム軸を後置検出器のスーパーカミオカンデから 2.5◦ ずらす、oﬀ-axis 法という手法を用いていることも特徴の 1 つで、これによりニュートリノのエネルギー領域を振動確率が最大となるように合わせることが出来る。
T2K 実験では主にプラスチック標的をもつ前置検出器と水標的をもつ後置検出器を用いているが 、この原子核標的の違いによって生じるニュートリノ−原子核反応断面積の不定性という系統誤差が存在する。そこで、我々は T2K 実験の前置検出器ホールに新しいニュートリノ検出器を設置し 、
水とプラスチック標的のニュートリノ反応断面積比を測定する WAGASCI 実験を計画している。
WAGASCI 実験で用いる新ニュートリノ検出器 WAGASCI(WAter Grid And SCIntillator) はニュートリノ反応によって生じる荷電粒子に対して 4π のアクセプタンスを持つようにシンチレー
タを三次元格子状に組み立てた構造をしており、その格子内の空間に水またはプラスチックが入る。
このように、同じ構造内に異なる標的を配置することにより、水とプラスチックのニュートリノ反
応断面積比の測定においてニュートリノフラックスと検出器に依存する系統誤差を削減することが可能となる。また、WAGASCI 検出器も製作後は oﬀ-axis 法を採用してビーム軸より 1.5◦ ずらした場所に設置する予定である。
現在、WAGASCI 検出器の水標的部の一部となる新ニュートリノ検出器 INGRID Water Module
を 1 台作り上げており、この検出器には 1280 本のプラスチックシンチレータが内蔵されている。この講演では INGRID Water Module 内の 1280 本のプラスチックシンチレータについて光検出器 32
channel array 型の Multi-Pixel Photon Counter(MPPC) を用いて行った光量測定結果を報告する。
また、INGRID Water Module はニュートリノビームを用いた測定を行うため、短期間で高統計データ取得が可能なビーム軸上 (on-axis) に設置されている。我々は鉄とプラスチックシンチレー
タのサンド ウィッチ構造をもつ既存のニュートリノビームモニター INGRID をこの検出器の直後に置き、これらの 2 つ検出器から得られるヒット情報をもとに飛跡の再構成を行い、荷電粒子の識別を行っている。本講演では、実験を行う上で重要である INGRID Water module 検出器とニュート
リノビームモニター INGRID の飛跡の整合性を評価した結果を報告する。

参考文献：

1. 吉田健人, 「三次元格子構造をもつ新型ニュートリノ検出器 WAGASCI の開発」, 京都大学修士論文 (2015)

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

Magnetic field analysis and performance study of the spectrometer
magnet used in the DeeMe experiment searching formuon-to-electron conversions
高エネルギー物理学研究室
古谷 優子（ 学籍番号
M15SA021 ）ミュー粒子・電子転換過程探索実験 DeeMe(Direct emission of electron by Muon-to-electron
conversion) は、茨城県東海村の大強度陽子加速器施設 (J-PARC) にある物質生命科学実験施設 (MLF)
内のミュー粒子科学実験施設 (MUSE) で計画されている実験である。ミュー粒子・電子転換過程(µ− + (A, Z) → e− + (A, Z)) は、物質中の原子核にミュー粒子が束縛され生成されるミュオニック
原子中で起こる反応である。この過程はレプトンフレーバー数の保存を破る反応であり、素粒子標準理論では禁止されている。しかし 、超対称性大統一理論のような標準理論を超えた理論の多くでは、分岐比に対する現在の実験上限値 10−13 の数桁下でその存在が期待されている。DeeMe 実験では、J-PARC の 3GeV 陽子シンクロトロン (RCS) からの大強度・高純度なパルス陽子ビームを活用
し 、最終的には SiC 製標的を用いて、現在の実験上限値を 1∼2 桁上回る単一事象感度 2 × 10−14 の実験を目指す。

DeeMe 実験の主なバックグラウンド 源として DIO(Decay in Orbit, µ− → e− + νe + νµ ) からの電子があげられる。DIO とはミュオニック原子の軌道上での崩壊である。DeeMe 実験のシグナル
は、µ− -e 転換から出てくる 105 MeV/c の運動量を持つ電子であるが 、DIO に起因する電子の運動量もまた、原子核の反跳エネルギーによって最大 105 MeV/c 付近まで到達しうる。この 2 つの電子を区別するためには、105 MeV/c のシグナルに対し 1 MeV/c 以下の運動量分解能があればよいことがモンテカルロシミュレーションより分かっている。この運動量分解能を達成するために、実測
磁場に基づいた詳細な計算磁場マップを作成する必要がある。この講演では以下の 2 点について報告する。
1. 磁気スペクトロメータに用いられる双極電磁石 PACMAN の磁場測定を行った。順方向・逆方向ともに最大 500A の電流が流され 、その動作が確認された。また、3 軸ホールプローブを用いて測定することにより、PACMAN 電磁石のフリンジでの磁場など詳細な磁場の様子を把握することができた。その結果、PACMAN 電磁石面が上下で約 10mm 程ずれていることが確認された。
2. g4beamline シミュレーションを用いて、実際の磁場と軌跡を再構成し運動量を求める際の磁場マップとのズレが運動量測定に与える影響を調べた。その結果、軌跡再構成の効率は下がる
が 、運動量平均値や運動量分解能に影響を及ぼさないことが分かった。また、0.3 MeV/c 程度の運動量分解能が得られた。

参考文献：

1. 青木正治, 「 –DeeMe– J-PARC RCS からのパルス陽子ビームを活用したミューオン・電子転換
過程探索実験」高エネルギーニュース, Vol.31 No.3 2012/ 10.11.12

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(Andreev bound states and spectral properties of a quantum dot
coupled to two superconducting leads)
電子相関物理学研究室 松本龍太
（学籍番号：M15SA023）
常伝導体(N)と超伝導体(S)を量子ドット(dot)に接合した系では、超伝導による巨視的な量子効果とナノスケールでの磁性が共存し、様々な輸送現象が見られる。超伝導ギャップ𝛥の存在により、量子ドットでは近藤温度𝑇! 以下でも不純物
スピンの遮蔽が抑制され、この競合は基底状態の非磁性 singlet-磁性 doublet の相転移を引き起こす。近年、S/dot/N の接合系においてギャップ内に現れる Andreev
束縛状態や近藤効果が測定されている。この接合系はゲート電圧 𝜖! や電子間相
互作用 U、リードとの混成 𝛤!,! 、超伝導ギャップ 𝛥!,! ≡ 𝛥!,! 𝑒 !!!,! などのパラメータを含む。相互作用がギャップよりも比較的小さい場合、ギャップ内にAndreev 束縛状態が２つ生じる。基底状態から１個の束縛状態への遷移は、電子を加えても正孔を加えても起こり得るため、スペクトル関数には Fermi エネルギーの上下に１対のピークとして現れる。結果、ピークは合計４つ生じる。本研
究ではこのようなピーク構造を、Anderson 不純物模型に基づき数値くりこみ群を用いて調べた。その結果、あるパラメータ領域では U が大きくなると、束縛状態は高エネルギー側にシフトし連続スペクトルに吸収され、ピークが４個(左図)から２個(右図)になることを明らかにした。さらに、基底状態および Andreev
束縛状態の Josephson 位相依存性、ゲート電圧依存性も詳細に調べた。このようなスペクトル構造の変化は、コンダクタンスの測定によって観測されることが期待される。
0.25

𝑈⁄𝛥! = 1.6

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

-4

-2

0
ω/ΔR

2

4

-ΓR ImG11 (ω)-ΓR ImG11 (ω)

0.25

𝑈⁄𝛥! = 3.2

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

-4

-2

0
ω/ΔR

2

4

図 : 電 子 正 孔 対 称 、 𝜙 = 0, Γ! Δ! = 0.2 に お け る ス ペ ク ト ル 関 数 。（ 左 ）𝑈 𝛥! = 1.6と し た 場 合 。 ギ ャ ッ プ 内 に ピ ー ク が ４ 本 生 じ て い る 。（ 右 ）𝑈 𝛥! = 3.2とした場合。外側のピークが連続スペクトルに吸収されている。

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
Quantum phase transition and crossoverin triangular triple quantum dots connected to normal and superconducting leads

電子相関物理学研究室 城谷将矢*（学籍番号：M15SA010）
量子ドットとは,半導体などの微細加工によって作られたナノスケールの空間のことで,磁性不純物系と類似した物理的性質が注目されている。例えば低温では近藤効果や,クーロンブロッケードが起こる。特に,３角形状に配列した３重量子ドットでは,ゲート電圧 εd の変化によって占有電子数が変化し ,スピンと軌 道の 4 重縮退 や長岡強磁性による高スピン S = 1 の近藤状態など，多彩な量子状態が現れる．この系に 2 本の超伝導リードと 1 本の常伝導リードを接続した場合,近藤singlet と局所クーパー対の競合が起こり,様々な量子相転移やクロスオーバーが Andreev 散乱などを通して観測され得る．本研究では,左右の超伝導リード間の Josephson 位相が ϕ = π の場合における基底状態の相図やエントロピーの温度依存性を,数値繰り込み群を用いて計算し,3 角形内部で分極した近藤状態と局所クーパー対を伴う Resonance Valence
Bond 状態との間に新たなクロスオーバーが起こることを発見した.また,Andreev コンダクタンスと超伝導近接効果によるクーパー対消滅の振幅〈d↓ d↑ 〉 のドット内における変化の相関等を詳細に調べた.

コンダクタンス（左図）とクーパー対消滅の振幅（右図）のゲート電圧依存性．基底状態が変化する点でそれぞれグラフに飛びや急激な変化が現れる.
右図では青が底辺ドットの〈d↓ d↑ 〉で, 赤が頂点ドットの〈d↓ d↑ 〉である.

超流動 4 He 中での coflow における量子乱流の数値解析的研究	 (Numerical Study of Quantum Turbulence in Coflow of Superfluid 4He)
	
 素励起物理学研究室	
  井川真一*	
 （学籍番号：M15SA002）	
 
	
 
4
	
  本発表では、超流動 He の coflow（超流動速度場と常流動速度場を同方向に流す）において生じる非一様な量子乱流について講演する。多くの量子乱流の研究は実験的にも理論的にも熱対向流について行われてきた。近年、coflow という新たな状況下での量子乱流の実験が行われ、熱対向流と異なる特徴が観測された[1]。
	  coflow の数値シミュレーションの結果[2]、量子渦は図 1 のように空間的に偏って分布することがわかった。この量子渦が集積する領域は相互摩擦が働かな
い領域であり、我々は非線形動力学での考えを引用し、この領域を coflow における渦のアトラクターと呼ぶ。このアトラクターは相互摩擦が決めているため、アトラクターを持つかどうかは温度と速度に依存する。また系がアトラクターを持つとき、超流動速度場が常流動速度場に一致してくる。このことを示す先行研究[3]での問題点を解決し、同様の結果を得た(図 2)。これらの数値計算の結果の詳細、渦がアトラクターに引き込まれるメカニズム、超流動速度場と常流
動速度場の一致等について報告する。	
 
	
 
2.5
vnv
vvs,a
	
 
v (t=10s)vs (t = 10s)v (t=20s)2v (t=30s)vs (t = 20s)	 v (t=40s)vs (t = 30s)vs (t = 40s)
	
 
1.5
	
 
1
	
 
0.5
	
 
	
 
0
n
s,a

v

v [cm/s][cm/s]

s
s
s
s

-0.6

図１、流れ方向から見た量子渦の分布	
 

-0.4

-0.2

0

z

0.2

0.4

0.6

z [mm][mm]

図２、常流体速度場と超流体速度場の時間発展	 *e-mail:	
 s.ikawa@sci.osaka-cu.ac.jp	
 参考文献：	
 [1]E.Varga, S.Babuin, and L.Skrbek, Physics of Fluids 27, 065101 (2015).
[2]Shinichi Ikawa and Makoto Tsubota, Phys. Rev. B93, 184508 (2016).
[3]D.C.Samuels, Phys. Rev. B 46, 714 (1992).

低温モーター駆動による超流動 4He 流の観測
(Observation of Superfluid 4He Flow Induced by Cryogenic Motor)
超低温物理学研究室 大山勝義*（学籍番号：M15SA004）
超流動 4He を入れた容器を回転させると、常流動成分とともに超流動成分も容器と一緒に回転することが知られている。これまでの研究[1][2]では、0.1~106rps (rps = revolutions per
second)の広い範囲の回転速度で行われ、量子渦が三角格子を組むことが報告されている。
本研究において我々は、容器内に回転物体を置くことで、超流動 4He 流の駆動に成功した。実験セットアップを図 1 に示す。6 枚平羽根タービン翼モーターを透明シリンダーに入れて、容器上部にφ5mm のオリフィスを設置し、超流動流を観測する。液面が円筒容器内にある時、モーターを回転させると液面形状は回転放物面を形成し、剛体回転流が駆動された。回転流速は図 2(左)のようにモーター速度と等しくなった。また剛体回転流により円筒壁では圧力が高く中心で低くなる圧力勾配を生じるので、容器側面に隙間を設けた超流動ポンプを開発した。ポンプによって、底面からオリフィスへ吸い込む流れが駆動され、穴の直上に巨大渦が生成された。この渦は、自由表面をもつ流体が穴に流れ込む時に生成される吸込渦である。渦形状は完全流体においては距離 r-2 に比例する。吸込渦の循環はこの渦形状から推定し、モーター回転速度に対してプロットしたものを図 2(右)に示す。実験
温度は 1.6K~4.2K である。超流動状態と常流動状態でモーター速度に対して循環が一致した。
超流動状態ではオリフィスに量子渦が集中することで循環がもたらされていると考えられる。循環は 103 mm2/s オーダーとなり、オリフィスには 104 本程度の量子渦が集中している。

図1

実験装置概略図

図2

モーター速度に対する回転流速(左)と吸込渦の循環(右)*e-mail: ooyamayo@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：[1] E. J. Yarmchuk, M. J. V. Gordon, R E. Packard, Phys. Rev. Lett (1979)[3] Luis F. Gomez et al. , Science 345, 906 (2014)

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(Anisotropy of Vortex Emission and Generation Mechanism of Quantum Turbulence
Induced by Vibrating Wire in Superfluid 4He)
超低温物理学研究室

小川耕平（学籍番号：M15SA005）
超流動 4He 中の振動子はある速度以上で量子乱流を生成し、渦環を放出する[1]。我々は乱流生成パワーと検出する渦環サイズを変え、量子乱流の生成から渦環の放出までの時間を測定することで、量子乱流の生成機構を解明することを目的として研究を行っている。
振動子には振動ワイヤーを用いており、本研究では乱流生成ワイヤーの振動方向と、振動に対し垂直下方向に検出ワイヤーを設置し、2 方向への渦環放出の検出時間を測定する。
量子乱流生成開始から渦環検出までの時間を測定し時間に対する検出確率の分布を調べた
ところ、乱流生成パワーが高い場合は、時間が早い領域では検出頻度が低く、時間が遅い
領域では検出頻度が高くなることが検出する渦環のサイズに依らず観測された。このこと
は、ワイヤーのまわりに渦タングルが形成し、成長するため渦環放出が抑制され、また渦タングル形成が定常になると再び渦環の放出が増加する為だと考えられる。
定常乱流が生成された後の平均検出頻度 t1b-1 の渦環サイズ依存性を両方向で調べると、
0.83m では振動方向の方が多くなった（図 1）。ワイヤーの太さに相当する 2.8m では、t1b-1
は両方向で一致し、5.5m 以上では、垂直方
この結果から、大きいサイズの渦環が垂直方向に多く放出され、小さいサイズの渦環は垂直方向よりも振動方向に多く放出されていることが分かる。これは、乱流領域の形状が、垂直方向には大きいサイズの渦環が放出できるほど、振幅程度まで広く発達しているのに対し、振動方向にはワイヤーの太さほどの乱流領域にしか発達していないからである。

e-mail:koheiok@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：
1. R.Goto, et al. Phys. Rev. Lett 100 (2008)045301

1

平均検出間隔 t1b [s]

向の t1b-1 が振動方向よりも大きくなる（図 1）。

乱流生成パワー
150 pW
0.1

0.01

0.001

垂直方向
振動方向
0

2

4

6

8

10

12

検出可能最小渦環サイズ [μm]図 1 平均検出間隔の渦環サイズ依存性

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の探索(NMR Experiments and Detection ofSuperfluid He Odd-frequency Cooper Pairs at Aerogel Interface)3

超低温物理学研究室	
  野村直人
（学籍番号：M15SA018）

Susceptibility [a.u.]	  超流動 3He-B のクーパー対の対称性はスピン三重項 p 波であるが、超流動
3He-B と常流動 3He の界面においてスピン三重項 s 波の対称性を持つ奇周波数クーパー対が出現し[1]、それに伴い低温で 3He スピン帯磁率が増大することが理論的に予測されている[2,3]。本研究では奇周波数クーパー対の出現に伴って起こる帯磁率の増大を実験的に観測することを目的とし、バルク超流動 3He-B とエアロジェル中常流動 3He の界面を有するセルを用いて cw-NMR 法による液体 3He
帯磁率測定を行ってきた。測定の際、表面固体 3He 由来の常磁性的な寄与をなくすためにエアロジェルに 4He をコートしている。これまでに 2.5 層の 4He をコ
1.2
ートし、エアロジェル界面における
4
Heコート  :  3.0層
帯磁率の増大を観測したが、界面か
1
22 bar
ら離れたエアロジェル中でも帯磁0.8率の増大を観測しており、表面固体
30.6
He が形成されていた可能性がある
0.4[4]。今回は 4He のコート量を 3.0 層まで増やした測定を行い、界面にお0.2
ける帯磁率の増大を再び観測した
0
0
0.5
1
1.5
のでその結果について報告する。
T/Tc

図１：エアロジェル界面近傍の帯磁率の温度変化

1. S. Higashitani et al., JLTP 155, 83 (2009).
2. Y. Nagato et al., J. Phys. Soc. Jpn. 78, 123603 (2009).	
 3. S. Higashitani et al., Phys. Rev. Lett. 110, 175301 (2013)
4. 近藤健二，修士論文(平成 25 年度).

毛細管中における超流動 3He(Superfluid 3He in narrow cylinder)
超低温物理学研究室 平田拓也*（学籍番号：M15SA020）
超流動 3He はその豊かな内部自由度を反映して、複数の熱力学的に安定な相が存在し得る。バルク中では A 相、B 相が実現されている。一方、クーパー対の運動が殆ど一次元的に制限されるような細い円筒中の超流動 3He では、境界面の対破壊効果の影響がマクロに表れるため、様々な新奇相の出現が予想されている[1-3]。我々は実験的に、毛細管中の超流動 3He において新奇相の発見・相の同定を行うことを目的としている。
先行研究[4]では直径 2μm の毛細管、圧力 29.7 bar で NMR 測定が行われているが、新奇相の観測には至っていない。そこで我々は毛細管に、径を均一かつ幅広く選択する事の出来るフォトニック結晶ファイバ中の毛細管を用い、また、圧力は融解圧直下から飽和蒸気圧までの広い範囲で系統的な測定を行う計画を立てた。今回はまず直径 2.6μm のファイバ中毛細管に閉じ込められた圧力 1.0 bar の液体 3He に対して測定を行うことにした。この場合閉じ込めることのできる 3He は非常に少なく、対象とする核スピンの絶対数が極めて小さいため、NMR 測定は困難であると予想される。現在までのところ、試料セルに含まれる樹脂中の 1H の信号は観測されたものの、3He の信号は観測できてない。その理由は、測定回路の室温変化に伴う巨大な背景信号ドリフト、および、長い同軸ケーブルに由来するノイズと信号損失に対して 3He 核スピンの NMR 信号が小さいからである。この問題を解決するため、私は、低温アンプ・極小超伝導コイルを導入することにした。低温アンプを用いると信号が百倍程度増倍できるだけでなく、室温変化の影響を全く受けなくなる。また、超伝導コイルを用いると共鳴回路の Q 値を数百倍以上に大きくできるため、大幅な S/N の改善が期待できる。現段階ではまだ新しいデザインの NMR 装置設計には至っていないが、制作した低温アンプの単体の性能は、3He NMRの要求感度を満たせることがわかった。発表では、毛細管中の超流動 3He にたいする NMR
実験の意義と、今回製作した低温アンプの性能について詳しく説明する。

e- mail:thirata@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：

1. J.J. Wiman J.A. Sauls, Phys. Rev. B, 92, 144515 (2015).
2. K. Aoyama, Phys. Rev. B, 89,140502(R) (2014).
3. Y.H. Li T.L. Ho, Phys. Rev. B, 38, 2362 (1988).
4. J.Saunders, et al. , phys. Rev. Lett., 40, 1278 (1978).

図： フォトニック結晶
ファイバ中の毛細管