物理学教室年次研究報告2017 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...........................................................12017 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..............................12
素励起物理学研究室......................................15
電子相関物理学研究室....................................21
レーザー量子物理学研究室................................26
宇宙・高エネルギー講座
宇宙線物理学研究室......................................28
高エネルギー物理学研究室................................36
重力波実験物理学研究室..................................43
宇宙･素粒子実験物理学研究室.............................49
基礎物理学講座
素粒子論研究室..........................................56
数理物理研究室..........................................63
宇宙物理研究室..........................................67
原子核理論研究室........................................71

序「先生！僕、大学院は京大に行きたいんです！」などと入学前から話しかけてくるような鼻
息の荒い新入生たちを迎えた「新入生ガイダンス」から始まった一年でしたが、2017年度は新しい時代への胎動と、心地よい躍動を感じる一年間だったように思います。
物理学の世界における最大のニュースは、LIGOとVirgoによる連星中性子星合体からの重力波の観測とショートガンマ線バーストの同時観測、さらにそれに続く光学追観測によって光学対応天体と母銀河の同定に成功したことです。重力波を加えた宇宙観測の新時代の到来と今後の発展を確信させる、素晴らしい成果でした。我が国のKAGRA実験もきっと今後の発展の一翼を担ってくれることでしょう。
人事面では、田越秀行准教授が5月に転出されました。２年１ヶ月という短い期間でしたが、物理学教室に様々な面で貢献していただきました。今後もKAGRA実験の中心メンバーとして活躍されることと思います。そして、10月には同じ重力波実験物理学に伊藤洋介准教授をお迎えしました。KAGRA実験を軸に世界の重力波実験物理学を牽引し、同時に大阪市大物理学教室のアクティビティを世界に知らしめていただけるものと期待しています。
本学でもクロスアポイントメント制度ができ、これを利用して、岩崎昌子准教授が大阪大
学核物理センターに出向し、また同センターから緒方一介准教授をお迎えしました。今後さらにこのような制度によって人事交流が進み、広がっていくことでしょう。
また運営面では、市議会・府議会の議決を経て、2019年4月の法人統合が決まりました。これで法人レベルでの統合は確実になりました。大学の将来像はまだ明らかになっていません
が、大学の、物理学教室の、本来の役割を見失うことなく、世界とその中での日本と大阪の発展に貢献できる道を切り開き、進んでいきたいものです。
年末には嬉しいニュースも飛び込んできました。本学物理学科を卒業し、数物系専攻で学位を取られた永合祐輔さん（慶應義塾大学・助教）と藤井俊博さん（東京大学・博士研究員）のお二人が日本物理学会若手奨励賞を受賞されました。教室ではお二人を年末発表会にお招きし、「凱旋特別講演」をしていただきました。素晴らしい研究者に成長したお姿は、古くからの教員に懐かしさを呼び起こすと同時に、教員と在学生に「我々も頑張らないと」という心地よい刺激を与えてくれました。
教育面では、台湾師範大学との合同シンポジウムを昨年度に引き続き、今回は本学で開催しました。また、教員と学生が寝食を共にし、物理に熱中する取り組み、「アインシュタイ
ンセミナー」を復活開催しました。主体は教員と大学院生ですが、学部１・２回生も参加してくれました。教室のアクティビティのさらなる向上につながると期待しています。
また、理学研究科執行部のリーダーシップのもと、研究科の運営と発展のための様々な取り組みが行われました。形になったものも、ならなかったものもありましたが、物理学科のスタッフはこれらに力を尽くされ、多大な貢献をされました。物理学教室の皆様にはこの場を借りてお礼を申し上げます。
上述に加え、様々な制度が変わり、新しくなって、新しい時代へ変わる移行期の一年でし
たが、いろいろな場面で感じた躍動感は、これらの胎動と変革の結果が良い成果として現れることを期待させるものでした。今後、胎動が激動になる時期を迎えことになりましょうが、その先を楽しみにしつつ、我々は今後も一致団結して進んでいきましょう。
2017年度（平成29年度）物理学科主任
荻尾 彰一

1

２０１７年度 物理学教室 談話会
談話会委員：神田、西川、森山（おいうえお順）

第１回

新入生歓迎談話会
講師：竹内宏光氏 （物性物理学講座・講師）
題目：量子流体の数理
日時：2017 年 4 月 11 日 15:30 ～会場：学術情報センター 大会議室

第２回

物理教室談話会
講師：Wei Guo 氏 （Florida State University）
題目：Flow visualization in superfluid helium-4: progresses and future development
日時：2017 年 6 月 19 日 16:30 〜
場所：理学部 E101

第３回

新任教員談話会
講師：伊藤洋介氏 （宇宙・高エネルギー物理学講座・准教授）
題目：重力波で探る宇宙
日時：2017 年 10 月 26 日 10:30 〜
場所：理学部 E108

第４回

物理教室談話会
講師１：神田展行氏 （宇宙・高エネルギー講座・教授）
題目：重力波観測と 2017 年ノーベル物理学賞
講師２：伊藤洋介氏 （宇宙・高エネルギー講座・准教授）
題目：中性子星と重力波天文学
日時：2017 年 11 月 17 日 16:30 〜
場所：理学部第４講義室

第５回

物理教室談話会
講師：福山寛氏 （東京大学）
題目：単原子層ヘリウム研究の新展開 〜量子液晶と量子スピン液体
日時：2017 年 11 月 17 日 16:00 〜
場所：理学部第９講義室

第６回

物理教室談話会
講師：芦田昌明氏 （大阪大学）
題目：超流動ヘリウム中における半導体・超伝導微粒子の作製と光圧による運動制御
日時：2017 年 11 月 24 日 16:30 〜
場所：理学部 E108

第７回

物理教室談話会
講師：石原安野氏 （千葉大学）
題目：南極点 IceCube 実験による宇宙ニュートリノ観測で迫る高エネルギー深宇宙
日時：2017 年 12 月 6 日 16:30 〜
場所：理学部 E108

第８回

2017 年度 物理教室年末研究発表会（招待講演）
講師：永合祐輔氏 （慶應義塾大学） 藤井俊博氏 （東京大学）
日時：2017 年 12 月 25 日 16:10 〜
場所：田中記念館 ホール

2

第９回

物理教室談話会
講師：青木正治氏 （大阪大学）
題目：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の探索実験―DeeMe
日時：2018 年 1 月 24 日 14:45 〜
場所：理学部 F203

第１０回 物理教室談話会
講師：中野寛之氏 （龍谷大学）
題目：連星ブラックホールからの重力波まわりの研究
日時：2018 年 2 月 6 日 16:30 〜
場所：理学部 E1083

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(D6)

岡崎太郎(M2)
水畑博貴(M2)
虫明亮哉(M2)
佐藤浩司(M1)
田邊博隆(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、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、22barでの帯磁率の増大を観測した。ヘリウム 4 薄膜が 2.5 層のときは界面から離れたエアロジェ
ル中では、狭い並行平板間バルクB相でのマルチドメイン構造と同じ振る舞いが観測されたが、3.0 層のときはシングルドメイン構造であった。帯磁率の増大の大きさの考察より、界面での常流動相は単一の数μメーターの大きさの空間を形成しているのではなく、サμメータ以下の大きさの空間が複数個存在していると考えられる。界面近傍で奇周波数
クーパー対が出現したことを強く示唆する。
2. 超流動ヘリウム４の量子渦と量子乱流のダイナミクス（矢野、虫明、佐藤）
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。量子乱流中では、渦間の再結合が起こることで、乱流のエネルギーが大きなスケールから小さなスケールへとカスケードすると考えられ、それは渦間隔の統計分
布に反映する。我々は、ワイヤーの振動が定常的に生成する量子乱流の渦間隔を、量子乱流から放出される渦輪に着目し、研究している。渦輪は渦間の再結合によって生成されるため、渦輪の大きさは渦間隔を反映する。渦輪生成器と検出器を用いて乱流生成か
ら渦輪検出までの時間分布とその渦輪サイズ依存性を測定し、次のことを明らかにしている。①量子乱流から振動方向に放出される渦輪の検出時間が、指数分布に従うことを明らかにした。②指数分布から求めた平均検出頻度は、検出最小渦輪サイズの-1.7 乗に従うことを明らかにした。③ワイヤーの振動に対して垂直方向に放出される渦輪も指数分布を示すが、乱流生成から 0.4 秒以降で検出頻度が増加することを明らかにした。④
0.4 秒以前の平均検出頻度は、
検出最小渦輪サイズの-1.3 乗に従うことを明らかにした。
また 0.4 秒以降の渦輪の増加は、120 µm以上の渦輪生成が関与している。②および④の平均検出頻度が渦輪サイズの冪乗則にしたがう結果は、量子乱流の渦構造が自己相似性

4を持つことを示している。
3. 低温モーターで駆動する超流動ヘリウム４巨大渦の渦糸長密度測定（小原、矢野、松村）
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、超流動ヘリウム中でも回転する低温モーターを開発し、超流動流の新分野開拓を行っている。現在までのところ、①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。②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 11 µm）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。本年度は、モーターによって制裁された巨大渦の中に、量子渦糸がどこにどのような密度で存在しているのか検証するため、巨大渦を横断する第２音波の吸収実験を行った。第２音波は量子液体特有の音波の一つで、量子渦が存在するときには渦糸密度に比例した減衰を示す。実験の結果、回転流が強くなるほど大きな減衰が発生することが判った。この減衰と可視化実験による巨大循環量子を比較すると、モーターによる回転流によって生成された量子渦糸密度は、これまでの高速回転冷凍機の実験よりも数倍程度大きな値を示していることになる。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）
並行平板間の狭い領域に閉じ込めた超流動ヘリウム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、回転角速度が大きな場合に半整数渦に起因するとみられるNMR共鳴周波数の角速度依存性を観測した。しかし、回転角速度が小さい場合は逆の傾向であった。また回転角速度が大きな場合の周波数変化は理論予想より小さく、定量的な一致はなかった。考察より以下のことが明らかになった。
無回転時の狭い隙間内のオーダーパラメーターが予想していた分布から少しずれている
ことがわかり、回転角速度が小さい場合には固有軌道角運動量の効果が半整数量子渦効
果より大きいために、逆の傾向となることとわかった。回転角速度が大きな場合は、半整数量子渦と通常の位相渦とが共存していると考えることで周波数変化量を理解できる
ことがわかった。NMR共鳴周波数の変化は非局在なスピン波励起に起因するが、その非局
在なスピン波励起は位相渦によって何ら影響を受けないからである。
5. 毛細管中の超流動 3He のポーラー相探索（小原、石川、岡崎、田邉）
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、昨年度作成したNMR信号強度を増幅用低温アンプを用いて、検出コイルの最適化を行った。また、毛細管としてはフォトニック結晶ファイバを用いるのだが、これまでは無駄な肉厚が大きいため十分な充填率が確保できなかった。そこで、今年度、フッ酸をもちいて無駄な肉厚をエッチングし、充填率を１０％前後まで増加させることに成功した。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5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。薄膜付きのループ管型の熱音響冷凍機が本研究の特色である。薄膜の位置を変えると冷凍機の温度が変化するので、ほぼ最適と思われる位置に薄膜を置いている。今年度はこの薄膜の役割を調べるために、ステンレスの直管の一端にスピーカーを配置した音響装置を製作し、他端を開放端、閉端、薄膜としたきの共鳴周波数での管に沿った圧力変動、仕事流を調べた。さらに、熱音響冷凍機ループ管に沿った仕事流をより詳細に調べるた
めに、圧力データ解析プログラムの改良を行った。ステンレスの直管実験より、薄膜は小さな音圧に対しては開放端的な振る舞いをする結果を得た。この傾向は周波数には依存しなかった。大きな音圧に対しては周波数依存性が観測された。低周波数では閉端的な振る舞いをし、高周波数では開放端的な振る舞いをする結果を得た。ループ管型熱音響冷凍機での圧力変動は大きな音圧に相当する。これまでの解析より、ループ管型熱音
響冷凍機の薄膜では常に圧力変動が極大であることがわかっている。これは閉端的な振る舞いであるが、直管実験での開放端的な振る舞いとは定性的な差がある。さらなる実験が必要である。ループ管に沿った圧力データ解析プログラムの改良により、全部で 75点のデータを得ることが出来た。この結果、ループ管に沿った仕事流の振る舞いをより詳細に観測出来るようになった。
7. 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、製作を完成させて性能テストに入った。ヘリウム 3 の液化が進まない、最低到達温度が 0.3K止まりであるなど今までに経験したことない問題点が出てきたが、最終的には、原因が判明し 50ｍKの温度に到達できた。
まだ、希釈冷凍機の到達温度としては、以前にパルス管冷凍機で達成した 4.5ｍKに程遠いので、さらなる改良を行こない 10ｍKの到達温度をめざして、さらなる改良を進める予定であ
る。
8.

4He

結晶の濡れ特性の制御（小原、東工大野村氏との共同研究）
固体ヘリウムは、超純粋であると同時に、構成する原子の相互作用が小さくまた軽い
ため、原子同士が位置を交換するなど極めて高い量子性を示す。さらに、超流動ヘリウ
ムと共存する場合には非常に高い結晶成長速度を持つため、通常固体ではありえないよ
うな完全な結晶を作り出しやすく、また特異な熱物性も示す。さて、超流動ヘリウムは
アルカリ金属を除く全ての固体を完全に濡らす性質が有るが、固体ヘリウムには有限の接触角が有ることが知られている。東工大グループは、これまでに、光学的手法を用いて量子固体の結晶学的研究を行い、ヘリウム結晶とヘリウムでない固体壁面、超流動という三相の接触界面の接触角の測定を行ってきた。今回、我々はヘリウムでない固体壁
面の表面形状制御を行い、接触角測定が面形状にどのような影響を与えるか研究を行うことになった。これは、純粋な物理学であると同時に、超撥水・超疎水性表面の理想化実験として、応用面での期待が持たれている。

教育・研究業績
学術論文
1. Anisotropic Formation of Quantum Turbulence Generated by a Vibrating Wire in Superfluid 4He;
H. Yano, K. Ogawa, Y. Chiba, K. Obara, and O. Ishikawa,
Journal of Low Temperature Physics, 187, 515–522 (2017)6

2. Development of Cryogenic Enhancement-Mode Pseudomorphic High-Electron-Mobility
Transistor Amplifier; T. Hirata, T. Okazaki, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa,
Journal of Low Temperature Physics, 187, 596–601 (2017)
3. Observation of the spiral flow and vortex induced by a suction pump in superfluid 4He;
H. Yano, K. Ohyama, K. Obara, and O. Ishikawa,
Journal of Physics: Conference Series, 969, 012002(1–5) (2018).
国際会議講演
Quantum Turbulence Workshop, Florida State University, Tallahassee, Florida, USA (10–12 Apr.
2017)
1. H. Yano (Invited Talk): Formation of quantum turbulence generated by a vibrating wire insuperfluid 4He
The 28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28), Swedish Exhibition
Centre/Gothia Towers, Gothenburg, Sweden (9–16 Aug. 2017)
1. O. Ishikawa (Talk): Odd-frequency cooper pairing in normal liquid 3He at aerogel interface
2. Y. Kimura (Talk): Rotation speed dependent NMR frequency in superfluid 3He-A between
parallel plates
3. H. Yano (Poster): Growth and formation of vortex tangle by vibrating wire in superfluid 4He
4. H. Yano (Poster): Observation of spiral flow and vortex induced by suction pump in superfluid
4
HeInternational Conference on Ultra Low Temperature Physics (ULT2017), Heidelberg University,
Heidelberg, Germany (17–21 Aug. 2017)
1. H. Yano (Poster): Observation of vortex emission generated by counter flow in superfluid 4He
2. H. Yano (Poster): Growth and formation of vortex tangle by vibrating wire in superfluid 4He
3. H. Yano (Poster): Observation of spiral flow and vortex induced by suction pump in superfluid
4He
4. Y. Kimura (Poster): Rotation speed dependent NMR frequency in superfluid 3He-A in parallel
plates学会・研究会講演
1. 日本物理学会 2017 年秋季大会（岩手大学，2017 年 9 月 21 日～24 日）(ア) 木村豊 (Talk): 平行平板中超流動ヘリウム 3-A 相での半整数量子渦(イ) 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 II(ウ) 佐藤浩司 (Talk): 超流動ヘリウム 4 熱対向流が生成する渦環の検出(エ) (小原東工大との共同研究) 4He 結晶の濡れ特性の制御 II
2. 日本物理学会第 73 回年次大会（東京理科大学，2018 年 3 月 22 日～25 日）(ア) 木村豊 (Talk): 平行平板中超流動ヘリウム 3-A 相における半整数量子渦の観測(イ) 佐藤浩司 (Talk): 超流動ヘリウム 4 中の振動ワイヤーが作る量子乱流の渦構造

学位論文
修士論文
1. 岡﨑太郎：「NMR 実験による細い円筒内の液体 3He の新奇超流動相の探索」
2. 水畑博貴：「核磁気共鳴実験によるバルク超流動 3Heとエアロジェル中液体 3Heとの界面における奇周波数クーパー対の探索」
3. 虫明亮哉：「超流動ヘリウム 4 中の振動ワイヤーがつくる量子乱流の渦構造」

7

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」２０１７年度分 ２７３万円
4. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費挑戦的研究（萌芽）「超流動ヘリウムの量子渦集中と巨大渦の研究」
２０１７年度分 ２３４万円
5. 小原 顕：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（C）
２０１７年度分 １１０万円「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. 矢野英雄：Quantum Turbulence Workshop, 2017/4/9-14, Florida State University, Tallahassee,
Florida, USA 出席・発表
2. 石川修六：LT28, August 9-16, 2017, Swedish Exhibition Centre/Gothia Towers, Gothenburg,
Sweden 出席・発表
3. 矢野英雄：LT28, August 9-16, 2017, Swedish Exhibition Centre/Gothia Towers, Gothenburg,
Sweden; ULT 2017, August 17-21, 2017, Heidelberg University, Heidelberg, Germany 出席・発表
4. 木村豊：LT28, August 9-16, 2017, Swedish Exhibition Centre/Gothia Towers, Gothenburg,
Sweden; ULT 2017, August 17-21, 2017, Heidelberg University, Heidelberg, Germany 出席・発
表

その他
地域貢献
1. 畑・石川：低温工学関西支部基礎技術講習会 (2017 年 9 月 13 日)

8光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

高槻 大地 (M2)中橋 健太 (B4)飯田 彬斗 (M2)岩本 晃典 (M1)

畑中 秀人 (M2)松尾 健志 (B4)

研究概要
1. 有機FETのゲート操作に対する分光モニタリング（飯田、鐘本）有機トランジスタ（OFET）は、有機材料の特徴である柔軟性を活かし、フレキシブルな
スイッチング素子などへの応用・実用化を目指した研究が多く行われている。この研究では、ゲート電極への交流方形波電圧の印加と分光技術を組み合わせたゲート電圧変調（GM）
分光法を適用することで、電気的特性の情報とは独立的に、有機半導体層に作用する電場や注入されたキャリアに関する情報を引き出すことを目指した。p 型の有機半導体として一般的なpentacene の OFET に対してGM 分光法を行い、ゲートを印加した際のキャリア
信号観測に成功した。さらに、ゲート印加で発生する非線形光学信号の起源を明らかにした。さらに、分光信号とゲート誘起電流の同時計測を行い、ゲート誘起電流の立ち上がり
速度（スイッチング速度）は、ゲート誘起キャリアの生成速度とほぼ同じであることが明らかになった。
2. ペロブスカイト型太陽電池における分光を利用した動作過程の検証（高槻、鐘本)
再生可能エネルギーへの注目度が高まる中、多様な系の太陽電池の開発に期待が集まっている。その中でも、電解液を用いる液相系の色素増感太陽電池や、それを固体化させた
ペロブスカイト型太陽電池(PVSC)の研究が近年著しく発展している。特に PVSC は近年著
しい性能向上を見せており、現在ではSi系太陽電池に匹敵する変換効率を示している。その反面、素子の動作機構については不明な点が多い。この研究では、素子の動作過程を定常光誘起吸収 (cw-PIA) 分光法を用いてモニターすることで PVSC の動作機構を調べることを目的とした。そのためにまず、高効率の試料（12.8%）を安定的に作成した。PVSCに対する分光測定では、ペロブスカイト層に直接起因する信号成分の特定に成功した。その分光信号成分は光照射に対して遅い応答を与えることを示し、実動作において観測される
ヒステリシスの要因であると結論した。
3. 有機半導体デバイスの動作過程をモニターする電子スピン共鳴法の実現（畑中、鐘本)
近年有機LED（OLED）は応用開発が進展し、照明やディスプレイへの実用化が進められている。そのOLEDは通常、電子・正孔間の衝突により励起子が発生し、基底状態に落ちる際、発光（Electroluminescence: EL）することにより動作する。その電子、正孔が励起子に転換される過程では、電子正孔対（e-h pair）が発生する。このe-h pairは反応中間体としての重要性の一方で、素子動作時におけるその挙動は、検出技術の難しさもあり、
これまで明確にされてこなかった。この研究では、e-h pairをプローブする技術として、
電子スピン共鳴（ESR）の際に生じる電流変化や発光強度変化の計測に着目した。まず、電流検出ESRと発光（EL）検出ESRのスペクトルの類似性から、電流とEL強度の変化を引き起こすspin種の起源がe-h pairであると結論付けた。次に、OLED動作時のe-h pairと電場の関係を調べるため、電流検出ESR、EL検出ESRの電圧依存性を測定した結果、規格化された電流検出ESR信号とEL検出ESR信号が電圧の増加とともに減少することを示した。同様な電圧依存性が磁気伝導や磁気ELの測定でも観測されることを示し、その磁場効果が電場効果により顕著に減少することを初めて示した。
4. 分光計測からの電流電圧特性機構の推定（岩本、鐘本)

9有機半導体素子の電気伝導機構は、空間電荷制限電流によるモデルを中心に議論されることが多い。しかしながらそのモデルの検証では、通常電流電圧特性の曲線を調べることが主となり、分子レベルでどのような現象が生じているかを十分には検証しない。
この研究では、有機ダイオードの電気伝導過程において、キャリア注入過程を分光で観測し、さらに内部電場を分光で見積もることを行った。さらに移動度を独立して算出することで、それら計測結果を総合して電流量を見積もった。その結果、電気伝導の発現では、キャリアの注入のみならず、表面に堆積したキャリアからの電流への寄与が存在し、その寄与を含めることで伝導機構が説明できることが分かった。
5. 燐光LEDに対するESR計測の実施（中橋、鐘本)
有機LEDでは、発光励起子がSingletの場合とTripletの場合に分かれるが、特に後者は、生成比が3倍高いため高効率素子の開発では、その利用が重要視される。ただし、そのよ
うな励起子発生反応自体をモニターする十分な技術が存在しない。本研究では、Triplet
励起子が発光を担う燐光型LEDを作成し、その挙動を追跡するためのESR計測系の構築を行った。その結果、燐光ELに対して、その発光からのESR応答を観測することに成功した。今後これらの系を、動作機構解明に活用する。
6. 色素増感太陽電池に対する分光モニタリング（松尾、鐘本)
色素増感太陽電池(DSC)は、次世代太陽電池として注目度の高い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。特に、キャリヤのみならず、電極からの信号も取得することで、動作過程を総合的にモニタリングすることに成功した。

教育・研究業績
学術論文
1. Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka, Keigo Kimura, Yujiro Ueda, Hidenobu Matsuoka,“Field-induced dissociation of electron-hole pairs in organic light emitting diodes monitored
directly from bias-dependent magnetic resonance techniques” Physical Review Materials 1,022601(Rapid) (6pages) (2017).
2. Katsuichi Kanemoto, Daichi Takatsuki, Hitomi Nakatani, Shinya Domoto, “Simultaneous
Monitoring of Photoinduced Absorption Signals and Short-Circuit Photocurrent during
Photoexcitation in Dye-Sensitized Solar Cells”, Journal of Physical Chemistry C, 121, pp.
12624-12630 (2017).
3.
Hiroshi Anzai, Masaru Suzuki, Kazuki Nagashima, Masaki Kanai, Zetao Zhu, Yong He,
Mickaël Boudot, Guozhu Zhang, Tsunaki Takahashi, Katsuichi Kanemoto, Takehito Seki, Naoya
Shibata, and Takeshi Yanagida, “True Vapor–Liquid–Solid Process Suppresses Unintentional
Carrier Doping of Single Crystalline Metal Oxide Nanowires”,
Nano Letters, 17, pp.4698−4705 (2017).
4. Shuto Hatanaka, Katsuichi Kanemoto, “Probing electron-hole pairs in polymer light emitting
diodes using electrically- and electroluminescence-detected magnetic resonance techniques”,
Polyhedron, 136, pp.58-60 (2017).
5. Katsuichi Kanemoto, Takayuki Nakajima, “Magneto-Capacitance Effects Induced by
Air-Generated Traps in Organic Semiconductors”, Polyhedron, 136, pp.61-63 (2017).
国際会議講演
1. Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka, “Field-Induced Dissociation of Electron-Hole Pairs in
Organic Light Emitting Diodes Monitored Directly from Bias-Dependent Magnetic Resonance

10

2.

Techniques..”, 5th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology(AWEST), Awaji International Conference Center, Awaji Island, Japan. Jun 18-21, 2017.
(Invited)
Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka, “Electron-Hole Pairs in Organic Light Emitting Diodes
Monitored by Bias-Dependent Magnetic Resonance Techniques.”, The 11th Japanese-RussianInternational Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices, Awaji
International Conference Center, Awaji Island, Japan. November 12-15, 2017. (Invited)

学会・研究会講演1. 鐘本 勝一、高槻 大地、「光誘起吸収と短絡光電流の同時計測による色素増感太陽電池のキャリヤダイナミクスの評価」第78回応用物理学会秋季学術講演会、福岡国際会議場（2017.9.5-8）
2. 畑中秀人、鐘本勝一、「発光検出ESRから探る有機LED動作下の電子-正孔ペア」第56回電子スピンサイエンス学会年会、東京工業大学（2017.11.2-4）
3. 岩本晃典、鐘本勝一、「有機薄膜ダイオードに対する分光モニタリング技術の開発」第65回応用物理学会春季学術講演会、早稲田大学（2018.3.17-20）
4. 鐘本勝一、飯田彬斗「Gate変調分光法による有機FETの動作ダイナミクス評価」第65回応用物理学会春季学術講演会、早稲田大学（2018.3.17-20）

学位論文
修士論文
1. 飯田彬斗：「有機トランジスタの動作に対する分光モニタリングの実現」
2. 高槻大地：「有機-無機ハイブリッド太陽電池における分光技術を用いた動作機構の研究」
3. 畑中秀人：「電子スピン共鳴法を用いた電子正孔対プローブによる有機LED動作の研究」

研究助成金取得状況
1. 鐘本勝一（代表）、科学研究費補助金、基盤研究(B)（一般）「ESR誘起電流による有機素
子の新規スピンプローブ技術の開拓」、720万円
2. 鐘本勝一（代表）、大阪市立大学戦略的研究（基盤研究）「分光技術を用いた有機半導体
素子の完全動作モニタリングの実現」、100万円

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. 「女子中高生のための関西科学塾」にて中学生向け実験講義を担当（鐘本）受賞
1. 畑中秀人：第56回電子スピンサイエンス学会にて優秀発表賞（口頭）を受賞

11生体・構造物性研究室
南後 守
杉﨑 満

江村 秀俊
三苫 重仁

特任教授
准教授

(M2)
(B4)

研究概要

Fluorescence Intensity(normalized)

Optical Density (normalizd)

1. 広い波長領域におけるクロロフィルの光学応答の調査（江村，杉﨑，南後）
高等植物の光合成系においてクロロフィルは，光捕集，励起エネルギー伝達，電荷分離，
電荷移動といった光合成初期の諸過程において中心的な役割を果たす．そのため光合成の機構を理解し，更には人為的操作をするためにはクロロフィル分子の電子状態やそのダイ
ナミクスについての理解が不可欠となる．クロロフィル分子には，異なる構造を持ついく
つかの誘導体が存在することが知られているが，高等植物は多くは主にクロロフィルa分子を有する．クロロフィルの吸収帯は600~700nm近傍に現れるため，従来はこの波長領域を中心とした研究がおこなわれてきた．本研究では，従来あまり注目がされてこなかった
波長領域で出現する新たな物性探索を行った．電子の最低励起状態であるQy帯よりもさらに低エネルギー側を励起した際にも，Qy帯からの蛍光が現れる所謂アンチストークス蛍光現象を見出した．類似の研究を調査したところ，高等植物から単離した葉緑体においてア
ンチストークス蛍光が観測されていることが分かった．しかしその原因については明らかとなっていなかったが，タンパク質とのWavelength (nm)何らかの相互作用に原因があると考え
800
700
600
500
1.5
1.5
られていた．しかしながら今回の我々のChl a in diethyl ether
Qy
研究において，有機溶媒中に分散させた(0,0)
クロロフィル分子においてもアンチス
1.0
1.0
X
トークス蛍光が現れることから，この現象にはタンパク質との相互作用は必ず0.5
0.5
しも必要でないことが分かった．吸収ス
(0,1)
(1,0)
ペクトルをBrownian振動子モデルを用Qx00
いて解析し，スペクトル密度の同定を行
12000
14000
16000
18000
20000
った．そこから得られたフォノンモード
Wavenumber (cm )の内の一つがアンチストークス蛍光で
図1 エーテル中に分散させたクロロフィルの吸収スペク
現れるピークのエネルギーと等しいこ
トル（細実線），Qx励起下における蛍光スペクトル（一とや，アンチストークス蛍光の波長依存点鎖線），およびアンチストークス蛍光スペクトル（太性を調べた際に現れた蛍光の共鳴増大実線）．Qx励起下における蛍光スペクトルは吸収スペク現象の様子などから，現在のところ，アトルとミラーイメージの関係にあるのに対し，アンチス
ンチストークス蛍光には，低エネルギー
トークス蛍光スペクトルには新たなピークXが出現しての振動モードが関与しているものと考
いる．
えている．
-1

2. FROG法による可視超短パルス光の位相決定（三苫，杉﨑）
1990年代頃から，超短パルス光の振幅と位相をデザインすることにより物性を制御するという試みが多くなされるようになってきた．初期の段階では，小さな分子の化学反応の効率が制御可能であるという報告が多数なされていたが，2000年代に入ると光合成色素蛋
白複合体のような巨大な分子集合体においても，その反応効率の制御が可能であるということが示されるようになった．ここでいう反応効率の制御は，反応効率を観測しながらそ12

の値が上昇，もしく
3
290
1.0
は減少するように
2
280
1
少しずつ超短パル
27000.5
ス光を構成する位-1260
相と振幅を周波数-22500ごとに変化させて
-3
500
520
540
560
580
-100
-50
0
50
100
いくという方法がWavelength (nm)Time (fs)とられる．その結果と し て 得 ら れ る パ 図2 非同軸型光パラメトリック増幅器の第二高調波FROGトレース信号（左図）
ル ス 波 形 は 非 常 に とそこから決定したパルス波形とその位相の関係（右図）．
複雑なものとなり，効率が変化した物理的な背景を説明することは非常に難しいという問題がある．そこで
我々は，位相や振幅にシンプルな周波数変化を与えた場合に，光合成色素の応答がどのように変化していくかを調べ，前述の問題に対する答えを得るという試みを行っている．前年の研究により，超短パルス光に僅かな位相変化を与えただけでも光合成色素のダイナミクスが変化することを見出しているが，本年度は光の位相を正しく決定する方法について，
とくにFROG (frequency-resolved optical gating) 法に着目してさらに詳細な吟味を行った．
また，本年度は二次以上の連続的な位相変化を与えることができるように波形成型器の整備を行った．
Wavelength (nm)

0.6

0.07

Phase (rad)Intensity (normalized)

1

Intensity (arb. units)

1.25
3. 小型バイオセンサーの開発（杉﨑，南後）
生体組織あるいは細胞中の酸素濃度を非侵襲
1.00
Oxygen1%
的にリアルタイムで検出する方法の開発は，細
6%
10%
0.75
21%
胞生物学や医療の分野において重要な課題となっている．生体組織中の酸素濃度を定量するた
0.50
めの方法の一つとして，ポルフィリン誘導体や
0.25
ルテニウム錯体等の発光測定に基づく酸素濃度0測定法が知られている．この測定法においては，
500
600
700
800
900
Wavelength (nm)これらの錯体が酸素との三重項状態間相互作用
により，りん光寿命変化するという特性を利用
図3 ポルフィリン誘導体の蛍光スペクトル．
して酸素濃度を定量する方法である．実際に人酸素濃度の低下に伴い，蛍光強度の増加がみ
体の酸素濃度測定を行う際に，患者の負担を軽られる．
減するために装置の小型化や体位の変化に依存しない正確な酸素量の測定が可能であるといった要求がなされている．光学配置を工夫することによりこのような要求を満たす装置開発を行っている．

教育・研究業績
学術論文
1. H. Emura, T. Noji, M. Kondo, Y. Amao, and M. Sugisaki, "Anti-Stokes fluorescence from chlorophylla," submitted.
2. S. Ooi, S. Mitoma, M. Nango, Y. Amao, and M. Sugisaki, "Transient grating spectroscopy of-carotene pumped with spectrally chirped pulses," submitted.

学会・研究会講演
1. 江村秀俊，南後守，天尾豊，杉﨑満，「クロロフィル a におけるアンチストークス蛍光」，日本物理学会 2017 年秋季大会，岩手大学 上田キャンパス，2017 年 9 月 21 日～24 日．

13

2.

江村秀俊，南後守，天尾豊，杉﨑満，「クロロフィル a におけるアンチストークス蛍光」，第 28 回光物性研究会（2017），京都大学 宇治キャンパス，2017 年 12 月 8 日～9 日．

研究助成金取得状況
1.
2.

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」80万円．
杉﨑満：株式会社カテラ，共同研究費「小型酸素センサーの開発」97万円．

その他
1.

杉﨑満：科学研究費助成事業，平成29年度審査委員表彰．

14

素励起物理学研究室
坪田
竹内

誠
教授
宏光 講師

湯井悟志(D2:学振DC1)
金井 俊明(M2)
韓 俊植(M1)

Wei Guo （学振外国人
特別研究員

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 ）前年度の研究の継続である。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、低温物理学における標準的モデルである。しかし、２流体の運動を連立させて解く試
みは、非常に簡単な場合を除いて、ほとんど行われたことがなかった。我々は、超流動成
分を量子渦糸モデルで、常流動成分をナヴィエ・ストークス方程式により記述し、両者を相互摩擦で結びつけた大規模計算を初めて行い、量子乱流の発展に伴い常流動速度場が大きな変形を起こすことを示した。この結果は、アメリカのグループの可視化実験と符合する。本研究は慶応大学との共同研究である。なおこの研究は大学広報からプレスリリースを行い、日刊工業新聞で報道された。また、乱流をテーマとした東宝映画「ラプラスの魔女」とのタイアップが実現した。
2. 超 流 動 ヘ リ ウ ム 熱 対 向 流 の 減 衰 (坪 田 、 湯 井 )熱対向流における量子乱流の減衰は、半世紀以上にわたって研究されて来た課題である。
初期には、実験結果を説明すべく、量子渦の密度に対するVinen方程式が提出された。しかし、その後の精緻な実験により、Vinen方程式だけでは必ずしも説明できないことが明らかとなって来た。重要な観点は、Vinen方程式は一様系を想定されたものであるが、現
実の系はチャネルの影響を受け非一様であるという点である。近年、我々は管内熱対向流中の非一様量子乱流の数値計算に成功しており（S. Yui and M. Tsubota, Phys. Rev. B 91, 184504(2015).）、その延長として熱対向流中の量子乱流の減衰を調べ、空間一様なVinen方程式の減衰係数を温度の関数として求め、実験結果と比較を行った。本研究は、アメリカ・フ
ロリダ州立大学およびイギリス・バーミンガム大学との共同研究である。
3. 2成 分 BECの 量 子 渦 の 相 分 離 (坪 田 、 韓 )熱対向流におけ2成分BECは、回転下において様々な渦構造をとることがわかっている。こ
こでは２次元量子乱流としての興味から、2成分BECがどのような渦構造をとるのかに注目した。単成分BECでは（恐らく）エネルギー逆カスケードを反映してOnsager渦と呼ばれる

15

巨大渦ができることが知られている。そのような構造が2成分BECでも生じるのかという観点に着目した。2成分の相互作用係数が小さい時は、当然ながら、両成分で同符号の渦が集積しOnsager渦に相当する構造が形成される。しかし、相互作用係数が大きくなると、異成分の渦の間の斥力相互作用が顕著になり、渦集団の相分離が起こることを見いだした(右図)。この現象の、詳細なパラメータ依存性を調べている。

4. 量 子 性 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る 新 た な 動 的 ス ケ ー リ ン グ 側 の 発 見 （ 竹 内 ）２成分のボース・アインシュタ
イン凝縮体（BEC）が相分離する
時間発展（図）での動的な統計則を見出すこと
が本課題の目的である．はじめ，完全に混ざり合った２成分BECを用意すると，水と油のように２成分が相分離を起こし，それぞれの成分が占拠したドメインが多数出現する．ドメインのサイズ
は時間の増加と共にその数を減少させる．その過程は古典系でも知られており，秩序化動
力学の動的スケーリング則に従うことが経験的に知られている．本研究では，このドメインのサイズ分布が浸透理論に従う普遍的な振舞いと，量子系特有の振る舞いを同時に示すことを初めて明らかにした．
5. 一 様 超 流 体 中 の 巻 き 数 ２ の 量 子 渦 に 関 す る 動 的 安 定 性 の 初 解 明 （ 竹 内 ）一様な超流体における巻き数が２の量子渦の動的安定性を
大規模数値計算により理論的に検証した．これまでの量子流
体力学の研究では，一様超流体中では量子数１の量子渦のみが安定であることが前提に，莫大な数の研究が実施されてきた．もし，巻き数２以上の渦の存在が許されれば，それらの研究が土台から崩れ去ることになる．しかし，絶対零度において巻き数が２以上の渦が不安定であることを示した研究はこれまで存在せず，理論・数値的困難から長年の未解決問題であった．本研究では，絶対零度の一様なBECにおいて，巻き数２の量子渦が動的に不安定であることを初めて示した．また，この不安定化の過程において，準固有振動に類似した音波放射を引き起こすことを予言した（図）．

教育・研究業績
著書
1. 坪田 誠、笠松 健一、小林 未知数、竹内 宏光
量子流体力学, 丸善出版(2018)

16

学術論文
1. Satoshi Yui, Makoto Tsubota, Hiromichi Kobayashi
Three-Dimensional Coupled Dynamics of Two-Fluid Model in Superfluid 4He: Deformed
Velocity Profile of Normal Fluid in Thermal Counterflow
Phys. Rev. Lett. 120, 155301 (2018)
2. J. Gao, W. Guo, S. Yui, M. Tsubota, W.F. Vinen
Dissipation in quantum turbulence in superfluid 4He above 1K
Phys. Rev. B 97, 184518 (2018)
3. Toshiaki Kanai, Wei Guo, Makoto Tsubota
Flows with fractional quantum circulation in Bose-Einstein condensates induced by
nontopological phase defects
Phys. Rev. A 97, 013612 (2018)
4. C.-H. Hsueh, Y.-C. Tsai, T.-L. Horng, M. Tsubota, W. C. Wu
Turbulence in a matter-wave supersolid
Scientific Reports 8, 12589 (2018)
5. Junsik Han, Makoto Tsubota
Onsager vortex formation in two-component Bose-Einstein condensates
J. Phys. Soc. Jpn. 87, 063601 (2018)
6. Toshiaki Kanai and Makoto Tsubota
Dynamics of vortex lattice formation in rotating two-component Bose–Einstein condensates
J. Phys.: Conf. Ser. 969 012016 (2017)
7. Junsik Han, Makoto Tsubota
Onsager vortex formation in two-component Bose–Einstein condensates in two-dimensional traps
J. Phys.: Conf. Ser. 969 012009 (2017)
8. 坪田誠量子乱流ー量子渦の非線形・非平衡ダイナミクス
日本物理学会誌 73,pp.475-478 (2018)
9. Hiromitsu Takeuchi
Domain-area distribution anomaly in segregating multi-component superfluids
Phys. Rev. A 97, 013617 (2018)
10. Hiromitsu Takeuchi, Michikazu Kobayashi, and Kenichi Kasamatsu
Is a Doubly Quantized Vortex Dynamically Unstable in Uniform Superfluids?
J. Phys. Soc. Jpn. 87, 023601 (2018)
国際会議講演
1. Satoshi Yui (Invited)
Numerical Study of Coupled Dynamics in the Two- Fluid Model for Superfluid 4He
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018
2.

P. Moroshkin, P. Leiderer, K. Kono, S. Inui, M. Tsubota
Dynamics of the free surface of superfluid 4He probed by electrically charged tracer particles
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018

3.

S. Inui, M. Tsubota, P. Moroshkin, P. Leiderer, K. Kono
Dynamics of fine particles due to quantized vortices on the surface of superfluid 4He

17

QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018
4.

H. Takeuchi, M. Kobayashi, K. Kasamatsu
Instability of a Doubly Quantized Vortex in Uniform Superfluids at Zero Temperature
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018

5.

H. Takeuchi
Anomalous hierarchy in domain coarsening dynamics of two-component Bose-Einsteincondensates
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018

6.

H. Kobayashi, S. Yui, M. Tsubota
Numerical Study on Entrance Length in Thermal Counterflow of Superfluid 4He
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018

7.

J. Han, M. Tsubota
Vortex phase separation in two-component Bose-Einstein condensates
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018

8.

C. Hsueh, M. Tsubota, W. Wu
Thermalization of a weakly interacting Bose gas in a disordered trap
QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July, 25-31,2018

9.

P. Moroshkin and S. Inui
Dynamics of the free surface of superfluid 4He probed by electrically charged tracer particles
QFS2018 QT satellite workshop, Tokyo, July, 29, 2018

10. Makoto Tsubota (Invited)
Numerical Simulation of Quantum Turbulence
Workshop, Chasing Tornadoes: Vorticity Above, Below, and in the Lab, Newcastle University,
UK, April, 9-11,2018
11. Makoto Tsubota (Invited)
Numerical Simulation of Quantum Turbulence
DPG Spring Meeting and EPS-CMD27, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany, March,
11-16, 201812. Hiromitsu Takeuchi, Michikazu Kobayashi, Kenichi Kasamatsu(presenter)
Splitting instability of a doubly quantized vortex in homogeneous superfluids
APS March Meeting, Los Angeles, USA, March, 5-9 (2018)13. H. Takeuchi, M. Kobayashi, and K. Kasamatsu
Splitting instability of a doubly quantized vortex in uniform Bose-Einstein condensates at zerotemperature
FINESS2018-Finite Temperature Non-equilibrium Superfluid Systems, Wanaka, NewZealand,
February, 19-23 (2018)14.
15. Hiromitsu Takeuchi
Application of percolation theory to coarsening dynamics of domains in segregating binary
superfluids
FINESS2018-Finite Temperature Non-equilibrium Superfluid Systems, Wanaka, NewZealand,
February, 19-23 (2018)16. Makoto Tsubota (Invited)
Hydrodynamics and turbulence in quantum fluids

18

The 4th East Asia Joint Seminars on Statistical Physics, National Sun-Yet-Sen University,
Kaohsiung, Taiwan, October, 17-20, 201717. Satoshi Yui
Quantum turbulence in superfluid 4He: numerical simulation of two-fluid model
National Taiwan Normal University and Osaka City University Joint Workshop, Osaka City
University, Japan, September, 29, 201718. Makoto Tsubota (Invited)
Recent topics of quantum turbulence
Hybrid Photonics & Materials International Conference, Mykonos, Greece, September, 25-29,
2017.
学会・研究会講演
1. 竹内宏光、 小林未知数、 笠松健一
巻き数2の量子渦は動的に安定か？
日本物理学会第73回年次大会、東京理科大学、2018.3.25
2. 湯井悟志、坪田誠、小林宏充
超流動4Heにおける2流体ダイナミクス：熱対向流における常流動速度場の変形
日本物理学会第73回年次大会、東京理科大学、2018.3.25
3. 坪田誠(Invited)
量子乱流研究の最近の話題
第4回 量子渦と非線形波動、東京理科大学、2018.1.19
4. Makoto Tsubota, Satoshi Yui (Invited)
Quantum turbulence
Seminar, Keio Topological Science Project, Keio University, Hiyoshi Campus, Japan, January, 10,2018.
5. 韓俊植、坪田誠
2成分Bose-Einstein凝縮体中でのOnsager渦の形成
日本物理学会、2017年秋季大会、岩手大学、2017.9.21-24
6. 湯井悟志、坪田誠
超流動4Heの熱対向流における非一様量子乱流の減衰
日本物理学会、2017年秋季大会、岩手大学、2017.9.21-24

学位論文
修士論文
1. 金井俊明「回転する二成分Bose-Einstein 凝縮体中の渦格子形成ダイナミクス及び螺旋状ソリト
ンによる角運動量輸送」

研究助成金取得状況
1. 坪田誠：科研費基盤研究(C)「超流体・常流体完全結合ダイナミクス」
200万円

19

2. 坪田誠：新学術領域研究「量子流体力学における「ゆらぎと構造の協奏」」
150万円
3. 竹内宏光：科研費基盤研究(C)「多成分超流体における秩序化過程のパーコレーションと動的統計則」
100万円
4. 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」
100万円
5. 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」
60万円

受賞
1. 坪田が、教員活動表彰（学長重点事項分野：広報で最も顕著な実績を有する者）を受けた。
2. 卒業生の藤本和也(2015 年学位取得)が、第 34 回井上研究奨励賞を受賞した。
3. 金井俊明が、ドイツのハイデルベルグで開催された ULT2017 でポスター賞を受賞した。

その他
1. 坪田：QFS2018: International Conference on Quantum Fluids and Solids(Tokyo, July,
25-31,2018)の副議長およびプログラム委員長

2. 学術論文 1 の研究のプレスリリースを行い、日刊工業新聞で報道された。また、東宝映画「ラプラスの魔女」とのタイアップを行った。

20

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 (D2)樋口 裕太 (M2)
毛見拓郎 (M1)堤 和彦 (M1)松本 雄太 (B4)
徳田 将志 (B4)橋本 将史 (B4)

一町 ほのか (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、および高バイアス極限からの展開に関する研究。 [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 流体領域に関する研究。 [5] 量子不純物系に於ける量子相転移とLuttinger-Friedel 総和則に関する研究。 [6] ４重量子ドット上の Lieb 磁性と Nagaoka 強磁性と近藤効果の競合に関する研究。
以下に、[1]〜[6] 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：
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。

21

[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。その成果のひとつとして、 高エネルギー領域の振る舞いに関して発展が挙げられる：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。

[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な変化を示すかは、低エネルギー励起量子状態の性質が強く反映される。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。
特に最近、電子-正孔非対称な Anderson 不純物模型の Green 関数の低エネルギーにおける漸近形を, 厳密に求めることに成功した：近藤効果の低エネルギー領域では、輸送係数に Fermi
流体に特徴的な振動数 ω 、温度 T 、バイアス電圧 eV に対する 2 乗の依存性が見られる。この依存性には準粒子間相互作用の効果が、二通りの寄与を通して現れる。一つは散乱による準粒子のダンピング、もう一つは準粒子エネルギーの補正であり、それぞれ自己エネルギーΣr (ω, T, eV ) の虚部、実部に対応する。虚部の振る舞いは良く知られているが、実部の ω 2 、
T 2 、(eV )2 の項の係数についてはこれまで厳密なことは分かっていなかった。我々の研究では、この問題に対する完全な解答を与えた [Phy. Rev. Lett. 120, 126802 (2018) ]。より詳細に述べると、Ward 恒等式等の場の量子論の方法を用いて、実部の ω 2 、T 2 、(eV )2 の項の係数の厳密な表式が、不純物準位を占有する電子数のゆらぎに関する３体の非線形感受率によって完全に決定されることを示した。我々の研究では、関連論文 [C. Mora et al., Phys.
Rev. B 92, 075120 (2015)] で現象論的に展開された議論に微視的かつより一般的な証明を与え、さらに実部を決定するために必要な 3 体の相関関数の表式と独立な成分の数を明らかにした。これらの結果によって、電子-正孔非対称な場合おける輸送係数の系統的な計算を行うことが可能になった。

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[5] 伝導電子系にそれぞれ結合している２つの局在軌道が反強磁性的に相互作用している系では、その反強磁性的相互作用による２つの局在軌道間の局所的反強磁性秩序相と伝導電子による
Kondo 効果が競合する。ここで反強磁性的相互作用が、ある臨界値より大きいと、局所的反強磁性秩序の方が実現するという量子相転移が存在する。電子正孔対称性がある場合は、局所的反強磁性相の基底状態への局在軌道の寄与はゼロであるが、この系に磁場を印加すると、両相で局在軌道の寄与がゼロでない Fermi 液体で記述できる基底状態が量子臨界点を挟んで存在することになる。我々はこの量子臨界点を挟んで Luttinger-Friedel 総和則が破れる
ことを見出した。この破れは電子正孔対称性がなく磁場も印加していない系の量子臨界点についても見出されたので、まずその系についてこの破れを詳細に研究することにした。具体的にはこの系を繰り込まれた摂動論と数値繰り込み群で研究した。繰り込まれたパラメータを用いて Luttinger-Friedel 総和則による局在軌道中の電子数と、数値繰り込み群から直接的に計算した電子数を比較した。その結果、Kondo 効果による遮蔽相では２つの電子数はよく一致するが、総和則による電子数は局所的反強磁性相全域において一定の（半）整数性を持ってずれていることを見出した。この整数性により、この量子臨界点はトポロジカルな性質を持ち、系のパラメータの変化に対して安定に存在できることを明らかにした。
[6] ４重量子ドット上の Lieb 磁性と Nagaoka 強磁性のスピン状態が、これらに接続した 2 つの電子溜の伝導電子による Kondo 効果でどのように遮蔽するのかを研究した。4 重量子ドットのパラメータ空間で、スピントリプレット状態である Lieb フェリ磁性と、スピンカルテット状態である Nagaoka 強磁性の領域と量子状態を詳細に研究した上で、その状態への Kondo
効果の影響を研究した。各磁性状態の量子状態を反映して、Kondo 効果による遮蔽は 2 段階
で起こる領域と 1 段階で起こる領域があることを見出し、この系が多彩な振る舞いをすることを明らかにした。

教育・研究業績
学術論文
1. O. J. Curtin, Y. Nishikawa, A. C. Hewson, D. J. G. Crow, “Fermi Liquids and the Luttinger
Integral”, J. Phys. Commun. 2, 031001 (2018), 8 pages.
2. Rui Sakano, Akira Oguri, Yunori Nishikawa, and Eisuke Abe, “Current cross-correlationin the Anderson impurity model with exchange interaction”, Phys. Rev. B 97, 045127(2018), 13 pages.
3. Akira Oguri, A. C. Hewson, “Higher-order Fermi-liquid corrections for an Anderson impurity away from half-ﬁlling”, Phys. Rev. Lett. 120, 126802 (2018), 6 pages.
4. Akira Oguri, A. C. Hewson, “Higher-order Fermi-liquid corrections for an Anderson impurity away from half-ﬁlling: Equilibrium properties”, Phys. Rev. B 97, 045406 (2018),
17 pages.
5. Akira Oguri, A. C. Hewson, “Higher-order Fermi-liquid corrections for an Anderson impurity away from half-ﬁlling III: non-equilibrium transport”, Phys. Rev. B 97, 035435 (2018),
19 pages.

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国際会議講演
1. Akira Oguri, and A. C. Hewson, “Higher-order Fermi-liquid corrections for an Anderson
impurity away from half-ﬁlling”,
American Physical Society March Meeting (March 5-8 2018, Los Angeles, USA).
2. Yoshimichi Teratani, and Akira Oguri, “Temperature dependence of an SU(4) to SU(2)Kondo crossover in a half-ﬁlling carbon nanotube quantum dot”,
American Physical Society March Meeting (March 5-8 2018, Los Angeles, USA).
3. Tokuro Hata, Meydi Ferrier, S. H. Lee, Tomonori Arakawa, Raphaëlle Delagrange, Richard
Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi, “Shot noise of a superconductor/nanotube junction in the SU(2) and SU(4) Kondo regime”, Nanophysics, fromfundamental to applications: reloaded (July 30-August 5 2017, Quy Nhon, Vietnam).
4. Yoshimichi Teratani, “Field induced SU(4) to SU(2) Kondo crossover in a carbon nanotube quantum dot: theoretical examination into evolution of local Fermi liquid state”,
National Taiwan Normal University and Osaka City University Joint Workshop (September 29 2017, 大阪市立大学).

学会・研究会講演
1. 小栗章, 寺谷義道, 「多軌道・電子−正孔非対称 Anderson 不純物に対する高次 Fermi 液体補正」, 日本物理学会 (2018.3. 22–25 東京理科大)2. 寺谷義道, 小栗章, 「非平衡 SU(4) 近藤効果の高次 Fermi 流体補正の局在電数依存性：数値
くりこみ群による研究」 , 日本物理学会 (2018.3. 22–25 東京理科大)3. 樋口裕太, 寺谷義道, 小栗章, 田中洋一, 「量子ドット−ジョセフソン接合系の磁性 doublet
相における Andreev 束縛状態の性質」 , 日本物理学会 (2018.3. 22–25 東京理科大)4. 秦徳郎, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 小林研介, Raphaëlle Delagrange, Richard Deblock, Hélène
Bouchiat, 樋口裕太, 寺谷義道, 小栗章, 「近藤効果が発現する量子ドット−超伝導接合系における 0-π転移の観測」、日本物理学会 (2018.3. 22–25 東京理科大)5. 小栗章, 「磁場中の非平衡 Anderson 模型における Fermi 液体補正」,
日本物理学会 (2017.9. 21–24 岩手大学)
6. 寺谷義道, 小栗章, 「磁場中のカーボンナノチューブ量子ドットにおける近藤効果：NRG に
よるコンダクタンスとスペクトル関数の温度依存性」 ,日本物理学会 (2017.9. 21–24 岩手大学)
7. 樋口裕太, 寺谷義道, 小栗章, 田中洋一, 「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 II」,
日本物理学会 (2017.9. 21–24 岩手大学)
8. 阪野塁、小栗章, 秦徳郎, 寺谷義道, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 小林研介, 「結合非対称な近藤ドットの電流ノイズ」 , 日本物理学会 (2017.9. 21–24 岩手大学)
9. 阪野塁、小栗章, 「軌道縮退不純物アンダーソン模型の繰り込まれた摂動論」 ,日本物理学会 (2017.9. 21–24 岩手大学)

その他

学位論文
修士論文
1. 樋口 裕太：超伝導体に接合された量子ドット系の Andreev 束縛状態に対する Josephson 位
相の効果

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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」 70 万円 (直接経費)
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 (直接経費)
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 (直接経費)

海外出張および海外研修
1. 西川 裕規：英国インペリアル・カレッジ・ロンドン、
2018 年 2 月 28 日 〜 2018 年 3 月 29 日、研究打ち合わせ
2. 小栗 章：アメリカ合衆国、 2018 年 3 月 4 日〜2018 年 3 月 11 日、
APS March meeting (Los Angeles) 出席・発表
3. 寺谷 義道：アメリカ合衆国、 2018 年 3 月 4 日〜2018 年 3 月 11 日、
APS March meeting (Los Angeles) 出席・発表

その他

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レーザー量子物理学研究室
井上 慎
加藤宏平

教授
特任助教

二村 亮(M2)
関 亮祐(M1)
長谷秀秋(M1)

小林一平(B4)
大前真秀(B4)
内村祐也(B4)

研究概要
1. 混合冷却原子気体を用いたエフィモフ共鳴の観測（井上、加藤）
昨年度執筆したKRbのエフィモフ共鳴の論文がPhysical Review Letter誌に掲載された。
2. ２原子種ボース・アインシュタイン凝縮の生成（井上、加藤）
カリウム41とルビジウム87の混合ボース・アインシュタイン凝縮体の生成を目指した
実験研究を行っている。２種の原子種の間には低い磁場にフェッシュバッハ共鳴がある
ので、相互作用の強さを制御できる。昨年度は光学系の調整と超高真空の復活を行なった。今年度はルビジウムの磁気光学トラップ(MOT)とカリウムの磁気光学トラップの復活を行なった。さらにルビジウムに蒸発冷却を施すことで、ルビジウムのボース・アイ
ンシュタイン凝縮に成功した。

図：ルビジウム87原子のボース・アインシュタイン凝縮体の吸収イメージング。約20万個の原子が一つの波動関数を共有している。
3. ガスセルを用いたラビ周波数の空間イメージング（長谷、加藤、井上）
極低温原子気体の原子核スピンを高速に制御するには、高強度の振動磁場が必要である。一般には、振動磁場をピックアップコイルなどで検出し、アンプや共振回路を用いて高周波回路と放射アンテナを最適化する方法が取られる。しかし最適化の結果、原子の位置で得られる振動磁場の絶対強度を知るには実際に原子のスピン共鳴信号を検出するのが最も確実である。原子の共鳴信号を空間分解できれば振動磁場強度のイメージングも可能になる。
我々はバッファーガス入りのカリウムのガスセルを用いて、カリウム39の基底状態の超微細構造間隔である500MHz近辺の周波数の振動磁場の絶対強度の測定を行った。カリ
ウムの超微細構造は原子の室温でのドップラー広がり(～GHz)より小さいので、ルビジウ
ムの場合と異なり周波数のみでスピン状態を区別することはできない。我々はD1線の遷移を用いて、偏光でスピン状態間の遷移（ラビ振動）を検出することに成功した。さらに振動磁場強度の空間分布のイメージングも行った。

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教育・研究業績
学術論文
1. K. Kato, Yujun Wang, J. Kobayashi, P. S. Julienne, S. Inouye: “Isotopic shift of atom-dimer
Efimov resonances in K-Rb mixtures: Critical effect of multichannel Feshbach physics”,
Phys. Rev. Lett. 118, 163401 (2017).

学会・研究会講演
1. 長谷秀秋, 加藤宏平, 井上慎：「ガスセルを用いたラビ周波数の空間イメージング」
日本物理学会 第73回年次大会(2017年) 東京理科大学
その他
1. 井上慎：「極低温をめぐるホットな競争」2017年7月7日 大阪府立三国丘高校にて講演

学位論文
修士論文
1. 二村亮：「干渉フィルターを用いた外部共振器半導体レーザーの製作と線幅の評価」

研究助成金取得状況
1.

井上慎：科研費・基盤研究(B)「散乱長の時空間制御で開拓する量子縮退気体の新奇な非平衡ダイナミクス」793万円

その他
1.

井上慎：大阪府立三国丘高校からの実験室見学受け入れ

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宇宙線物理学研究室
荻尾彰一
常定芳基
BokKyun Shin
多米田裕一郎
大嶋晃敏
小島浩司

教授
准教授
研究員
客員講師
客員准教授
客員教授

Rosa Mayta (D1)
佐原涼介 (M2)高木芳紀 (M2)織田浩行 (M1)
尾村勇吾 (M1)
藤田慧太郎 (M1)

田上裕太 (B4)
中井慧 (B4)
藤原亮太 (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、Shin, Mayta, 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９年分の観測データを用いた解析では、宇宙のある領域において宇宙線の到来数が他と比べて有意に多い「ホットスポット」の存在が示唆されており、観測データのさらなる蓄積と解析が進められている。また TA から見て宇宙の「北」の領域から到来する宇宙線と、「南」から到来する宇宙線ではエネルギースペクトルが異なるかもしれないという解析結果も得られており、宇宙線の起源天体分布と伝播機構に対する
ヒントを与えると期待されている。
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。2017 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（藤田）(b) 空気シャワー最前面の粒子到来時間の解析（高木）(c) 空気シャワーの「厚み」の距離および方向依存性解析（Mayta）(d) 大気蛍光発光効率測定用線形加速器 ELS のデータ解析 (Shin)
その成果は韓国で行われた国際会議 ICRC2017 で報告された。

2. TA×4 実験、TALE 実験（荻尾、常定、Shin, 佐原、織田、藤田、田上）
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、2017 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

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(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（佐原、織田）。
(b) TALE 実験のための地表検出器トリガーシステムの開発（佐原、織田、藤原）。この研究の成果は、韓国で行われた第 35 回宇宙線国際会議 (ICRC2017) で報告された。また、荻尾により日本物理学会 2017 年秋季大会でも報告された。
(c) 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（田上）。
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、中井）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。2017 年度からは定常観測がスタートし、データ解析が進められている。その成果は国際会議 ICRC2017 で報告された。
4. 加速器による大気蛍光発光効率の測定 (Shin)
TA 実験で用いている大気蛍光望遠鏡では、宇宙線が大気中で作る空気シャワー粒子が大気分子を励起したときに発せられる発行量をとらえることで宇宙線のエネルギーを決定している。したがって前もって大気の発光効率の測定が必要であり、その精度は宇宙線のエネル
ギー決定精度に直結する。TA 実験では、大気蛍光から 100m の距離に小型の線型電子加速器 ELS を建設し、「エネルギーのわかった空気シャワー」を人工的に作り出すことによってこれを測定している。Shin はこの研究を主導しており、従来考えられていた大気蛍光の発光効率よりも実際は 10% 程度高いことがわかった。これをさらに検証するために、ユタ大学と共同で米国スタンフォードにある線型加速器 SLAC による実験も進めている。
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。宇宙線 · 宇宙電子検出器、ガンマ線バースト現象を捉えるための専用検出器 (CGBM) は順調に稼動しており、データ解析が進められている。2017 年度は 11 GeV ∼ 1 TeV 領域の宇宙線
電子成分のエネルギースペクトルの解析結果、重力波イベントに付随する高エネルギー放射探索などの論文を発表した。

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）

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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 5, 000 m 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 4, 800
m の高原において新たな宇宙線観測プロジェクトを立ち上げることが現地のサンアンドレス大学とも合意された。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 4, 800 m 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。2017 年度には検出器設
置場所の取得が完了し、物品輸送が始まり、検出器開発が進められている。

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、地表空気シャワーア
レイによる銀河宇宙線の観測をおこなっている。ここ数年で、新型の時間情報記録回路の導入、検出器間の相対時刻の校正システムの導入により、空気シャワー観測における角度決定
精度の向上を進めてきた。現在、日印が協力してデータ解析を進めている。ミューオン検出器の増設工事も大詰めを迎えており、必要な比例計数管はほぼ全て完成し、現在検出器として組み上げをおこなっている。これに関して、本学の林と客員の大嶋が現地に滞在し、作業を推進した。また、大気中のガンマ線を検出する試みとして、大型のシンチレーション検出
器と NaI 検出器を組み合わせた新型放射線検出器の開発を開始し、トリガー条件、データ取得方法等の仕様を決定し、実機による試験を開始した。

8. インド・ウーティーにおける大面積ミューオン検出器を用いた宇宙線観測（小島、林、大嶋）GRAPES-3 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。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と愛知工業大学の小島浩司が、2018 年 3 月 5日から 3 月 20 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。
9. 次世代の超高エネルギー宇宙線観測用大気蛍光望遠鏡の開発 (CRAFFT 実験)（多米田）最高エネルギー領域の宇宙線観測のための拡張実験として、TA 実験の拡張計画である TA×4
実験が建設中であるように、最高エネルギー領域の宇宙線観測には非常に大規模な観測装置が必要となる。TA×4 実験により、宇宙線の到来方向のホットスポットの存在が確立され、天源天体が見つかれば、宇宙線による天文学が可能となり、宇宙線観測装置にはさらなる大規模化が求められることになる。こうした将来の大規模化を見据えて、現在低コストで建設が可能な大気蛍光望遠鏡 (CRAFFT, Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel-lens Telescope)
を多米田が主導し開発している。

2017 年度は、多米田他、信州大学の研究者及び学生と共に、CRAFFT 検出器を 4 台製作し、TA 実験サイトに設置し、2017 年 11 月に試験観測を行った。本観測で得られる宇宙線空気シャワーの期待値は 8.3 事象であり、これと矛盾無い 10 事象の観測に成功した。CRAFFT
検出器の開発状況や、試験観測の結果は、第 35 回宇宙線国際会議、日本物理学会 2018 年年
次大会、応用物理学会 (北陸・信越支部)、及び日本物理学会 2017 年秋季大会で報告された。
10. 高感度 CMOS カメラシステムによる高速飛翔暗黒物質と流星の探索（多米田）30

宇宙には暗黒物質の存在が確実視されており、様々な実験により暗黒物質の探索が行われているが、未だ発見には至っていない。本研究では、暗黒物質の候補の一つである Nucleariteの探索を行っている。Nuclearite とは、マイクロサイズのストレンジクォーク体 (SQM) が電子を捕獲し電気的に中性化したものであり、宇宙開闢の時期や中性子同士の衝突などで生成されると考えられている。
本研究は、甲南大学の研究者及び学生と多米田で推めている。2017 年度は、多米田が TA 実
験サイトに超高感度 CMOS カメラ 1 台を設置し、8,9 月に試験観測を行い、基礎データを収集した。本試験観測の結果は、第 35 回宇宙線国際会議で報告された。

教育・研究業績
著書
1. 大成逸夫, 田村忠久, 渡邊靖志 (共著), 相澤啓仁, 宇佐見義之, 有働慈治, 客野遥, 佐々木志剛,
清水雄輝, 多米田裕一郎, 西野晃徳, 松田和之, 山内大介 (編集) : 「理工系の物理学入門」 (裳華房、2017 年)

学術論文
1. R.U. Abbasi et al., ”The bursts of high energy events observed by the telescope arraysurface detector”, Physics Letters A, 381, 2565-2572 (2017)
2. V. Verzi, D. Ivanov and Y. Tsunesada, ”Measurement of Energy Spectrum of Ultra HighEnergy Cosmic Rays”, Prog. Theor. Exp. Phys, 12A103 (2017)
3. Energy calibration of CALET onboard the International Space Station, Astropart. Phys.,
91, 1-10 (2017)4.

Dependence of the muon intensity on the atmospheric temperature measured by the
GRAPES-3 experiment , Astroparticle Physics, Vol.94, p.22-28, 20175.

Was the cosmic ray burst detected by the GRAPES-3 muon telescope on 22 June2015 caused by a transient weakening of the geomagnetic field or by an interplanetaryanisotropy? , Physical Review D, 27 March 2018

国際会議会議録
1. T. AbuZayyad, Y. Tsunesada et al., “The Energy Spectrum of Cosmic Rays at the Highest
Energies”, Proceedings of UHECR2016, 011003, 10.7566/JPSCP.19.011003 (2018)
2. S. Ogio, “Telescope Array Low energy Extension: TALE”, Proceedings of UHECR2016,
011026, 10.7566/JPSCP.19.011026 (2018)
3. B.K. Shin, M. Fukushima, S. Ogio, and Y. Tsunesada, “Calibration of Photo-MultiplierTubes in Fluorescence Detectors of the Telescope Array”, Proceedings of UHECR2016
011034, 10.7566/JPSCP.19.011034 (2018)
4. M. Hayashi, Y. Tsunesada et al., “Development of a UAV-mounted Light Source for
Fluorescence Detector Calibration of the Telescope Array Experiment”, Proceedings of
UHECR2016, 011036, 10.7566/JPSCP.19.011036 (2018)
5. Y. Takahashi, R. Sahara, S. Konishi, T. Goto, and S. Ogio, Proceedings of UHECR2016,“Development of the New DAQ System for the SD Array of TA × 4 and TALE”, 011038,
10.7566/JPSCP.19.011038 (2018)
6. Y. Tsunesada, Y. Omura, D. Bergman, B.K. Shin, “NICHE: Non-Imaging Cherenkov
Light Observation at the TA Site”, Proceedings of UHECR2016, 011042, 10.7566/JPSCP.19.011042 (2018)31

7. R. Takeishi, S. Ogio et al., “Studies of Muons in Extensive Air Showers from Ultra-High
Energy Cosmic Rays Observed with the Telescope Array Surface Detector’, Proceedings of
UHECR2016, 011045, 10.7566/JPSCP.19.011045 (2018)
8. D. Ikeda, S. Ogio et al., “Study of Microwave Radiation from the Electron Beam at theTelescope Array Site”, Proceedings of UHECR2016, 011046, 10.7566/JPSCP.19.011046(2018)
9. M. Yamamoto et al., ”The Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel lens Telescope (CRAFFT)
for the next generation UHECR observatory”, The 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC2017)
10. Y. Tameda et al., ”TA fluorescence detector calibration by UV LED with an unmanned
aerial vehicle”, The 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC2017)
11. Y. Tameda et al., ”Development of the Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel lens Telescopefor a next generation UHECR observatory”, JPS Conference Proceedings, 19, 11036 (2018)

国際会議講演
1. 多米田裕一郎：“TA fluorescence detector calibration by UV LED with an unmanned aerial
vehicle”（ポスター）, International Cosmic Ray Conference, 韓国・釜山、2017 年 7 月 18 日
2. 常定芳基：“TA Spectrum Summary” （口頭発表） International Cosmic Ray Conference,
韓国・釜山、2017 年 7 月 18 日
3. B.K. Shin: “Calibration of Photo-Multiplier Tubes in Fluorescence Detectors of the Telescope Array” （ポスター）International Cosmic Ray Conference, 韓国・釜山、2017 年 7 月
18 日
4. B.K. Shin: “The Telescope Array experiment for researching Ultra High Energy Cosmic
Rays”（口頭発表）, CHEF2017, フランス・リヨン、2017 年 10 月 2 日

学会・研究会講演
1. B.K. Shin：“The measurement of the air fluorescence yield by 14 GeV electron beam at
SLAC”, 日本物理学会 2017 年秋季大会、2017 年 9 月 12 日、宇都宮大学
2. 荻尾彰一：「TALE 実験全体報告２」、日本物理学会 2017 年秋季大会、2017 年 9 月 12 日、宇都宮大学
3. 佐原涼介：「TALE 実験・TA×4 実験用地表検出器アレイのための制御エレクトロニクスとデータ収集システムの開発」、日本物理学会 2017 年秋季大会、2017 年 9 月 12 日、宇都宮大学
4. 荻尾彰一：「宇宙線望遠鏡による極高エネルギー宇宙線の研究」、平成 29 年度東京大学宇宙線研共同利用研究成果発表会、2017 年 12 月 9 日
5. 常定芳基：「テレスコープアレイによる超高エネルギー宇宙線観測最新結果」、平成 29 年度
ISEE 研究集会・太陽圏シンポジウム「太陽圏・宇宙線関連の共同研究成果報告会」、2018 年
2 月 22 日
6. 高木芳紀：「TA 地表検出器アレイによる極高エネルギー宇宙線の空気シャワーフロント構造の研究」、日本物理学会第 73 回年次大会、2018 年 3 月 23 日、東京理科大学野田キャンパス
7. 藤田慧太郎：「TALE 実験全体報告３」、日本物理学会第 73 回年次大会、2018 年 3 月 23 日、東京理科大学野田キャンパス
8. 尾村勇吾：「TA サイトにおけるチェレンコフ観測」、日本物理学会第 73 回年次大会、2018
年 3 月 23 日、東京理科大学野田キャンパス32

9. 多米田裕一郎：“CRAFFT 実験 4：複数台のフレネルレンズ型大気蛍光望遠鏡による宇宙線観測報告”, 日本物理学会第 73 回年次大会、2018 年 3 月 23 日、東京理科大学野田キャンパス
10. 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 (19)」日本物理学会 2017 年秋季大会、2018 年 9 月 12 日、宇都宮大学
11. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 ミューオン検出器の拡張と新型検出器の計画について」 日本物理学会第 73 回年次大会、2018 年 3 月 23 日、東京理科大学野田キャンパス
12. 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 (20)」日本物理学会第 73 回年次大会、2018 年 3 月 23 日、東京理科大学野田キャンパス
13. 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 29 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会、2017 年 12 月 9 日
14. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 ミューオン検出器拡張の進捗報告」平成 29 年度 ISEE 研究集会・太陽圏シンポジウム「太陽圏・宇宙線関連の共同研究成果報告会」、2018 年 2 月 22 日
15. 小島浩司：「銀河宇宙線の異方性と太陽風速度」、平成 29 年度 ISEE 研究集会・太陽圏シンポジウム「太陽圏・宇宙線関連の共同研究成果報告会」、2018 年 2 月 22 日

その他
1. 荻尾彰一：西宮市立西宮高等学校 大学模擬授業 （2017 年 9 月 1 日）

学位論文
修士論文
1. 佐原涼介：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とその運用
2. 高木芳紀：TA 実験地表検出器アレイによる極高エネルギー宇宙線空気シャワーフロント構造の研究

研究助成金取得状況
1. 荻尾彰一：科学研究費補助金（科研費）
・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」、代表、1,957 万円
2. 荻尾彰一：科研費・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」、分担、2,825 万円
3. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「TALE 実験用地表検出器開発と性能試
験」、代表、45 万円
4. 常定芳基：科研費・若手研究 (A)「銀河系内-系外宇宙線のエネルギー境界の確定と宇宙線起源論」、代表、157 万円
5. 常定芳基：科研費・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」、分担、1,028 万円
6. 常定芳基：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「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. 多米田裕一郎：科研費・若手研究 (B)「単素子蛍光望遠鏡の自立稼働システムによる超高エネルギー宇宙線観測」(16K17710)、代表、143 万円
8. 多米田裕一郎：東京大学宇宙線研究所共同利用費 「次世代の超高エネルギー宇宙線観測のためのフレネルレンズ型大気蛍光望遠鏡の開発研究」、代表、50 万円
9. 多米田裕一郎：東京大学地震研究所共同利用費 「汎用宇宙線計測用信号読出回路の開発」、
代表、59 万円

33

10. 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

11. 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

12. 大嶋晃敏：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費

42 万円

海外出張および海外研修
1. B.K. Shin：米国ユタ州、2017 年 5 月 13 日-2017 年 6 月 29 日、TA 実験による宇宙線観測、
ELS 実験、TA 実験グループ全体ミーティング出席
2. 荻尾彰一：米国ユタ大学、2017 年 6 月 17 日 - 2017 年 6 月 20 日、TA 実験グループ全体ミー
ティング出席
3. 常定芳基：韓国釜山、2017 年 7 月 11 日-2017 年 7 月 21 日、第３５回宇宙線国際会議 (ICRC)
出席、講演
4. B.K. Shin：韓国釜山、2017 年 7 月 11 日-2017 年 7 月 21 日、第３５回宇宙線国際会議 (ICRC)
出席、講演
5. 多米田裕一郎：韓国・釜山、The 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC2017)、
研究発表、2017 年 7 月 14-20 日
6. 多米田裕一郎：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 8 月 12-9 月 10 日
7. B.K. Shin：米国ユタ州観測サイト、2017 年 8 月 13 日 - 2017 年 9 月 1 日、TA×4 実験検出器設置準備
8. 常定芳基：米国ユタ州 TA 観測サイト、2017 年 9 月 5 日 - 2017 年 9 月 26 日、jNICHE 実験
による宇宙線観測
9. 尾村勇吾：米国ユタ州 TA 観測サイト、2017 年 9 月 5 日 - 2017 年 9 月 26 日、jNICHE 実験
による宇宙線観測
10. 藤田慧太郎：米国ユタ州 TA 観測サイト、2017 年 9 月 20 日 - 2017 年 11 月 1 日 、TA 実験
による宇宙線観測
11. 多米田裕一郎：米国・ユタ州、ユタ大学および TA 実験サイト、CRAFFT 検出器の設置作業および宇宙線観測実施、2017 年 10 月 10-20 日
12. 佐原涼介：米国ユタ州 TA/TALE 観測サイト、2017 年 10 月 19 日 - 2017 年 12 月 1 日 、TALE
データ収集システム構築
13. 織田浩行：米国ユタ州 TA/TALE 観測サイト、2017 年 10 月 19 日 - 2017 年 12 月 1 日 、TALE
データ収集システム構築
14. 常定芳基：韓国成均館大学、2017 年 12 月 17 日 - 2017 年 12 月 20 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
15. B.K. Shin：韓国成均館大学、2017 年 12 月 16 日 - 2017 年 12 月 20 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
16. 佐原涼介：韓国成均館大学、2017 年 12 月 16 日 - 2017 年 12 月 20 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
17. 高木芳紀：韓国成均館大学、2017 年 12 月 16 日 - 2017 年 12 月 20 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
18. 尾村勇吾：韓国成均館大学、2017 年 12 月 16 日 - 2017 年 12 月 20 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
19. 藤田慧太郎：韓国成均館大学、2017 年 12 月 16 日 - 2017 年 12 月 20 日、TA 実験グループ
全体ミーティング出席34

20. B.K. Shin：米国ユタ州 TA/TALE 観測サイト、2018 年 1 月 3 日 - 2018 年 1 月 30 日 、TAでの宇宙線観測、ELS 実験
21. 織田浩行：米国ユタ州 TA/TALE 観測サイト、2018 年 2 月 2 日 - 2018 年 2 月 27 日 、TALE
データ収集システム構築
22. 大嶋晃敏：タタ基礎研究所（Ooty） 2018 年 3 月 3 日 ∼2018 年 3 月 11 日
23. 小島浩司：タタ基礎研究所（Mumbai） 2018 年 3 月 5 日 ∼2018 年 3 月 20 日

その他
1. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所 運営委員
2. 荻尾彰一：宇宙線研究者会議 (CRC) 実行委員
3. 荻尾彰一：CRC 将来計画検討小委員会 委員長
4. 荻尾彰一：日本物理学会代議員
5. 荻尾彰一：日本物理学会大阪支部役員
6. 荻尾彰一：日本物理教育学会近畿支部庶務理事
7. 荻尾彰一：日本物理教育学会総会実行委員
8. 荻尾彰一：国際会議 ISVHECRI2018 IAC 兼 LOC
9. 常定芳基：宇宙線研究者会議 (CRC) 実行委員
10. 常定芳基：大阪大学核物理学研究センター 研究計画検討委員
11. 大嶋晃敏：国際会議 “ISVHECRI 2018” LOC
12. 大嶋晃敏：CRC（宇宙線研究者会議）事務局総務
13. 小島浩司：CRC（宇宙線研究者会議）事務局総務補佐

35

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 (D2)
手島 菜月 (D2)

東
井上
森本
久木田
田中
吉中

佑真
翼
史明
直哉
慎也
晴香

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

足立 真尋 (B4)高橋 拓也 (B4)
西原 大雅 (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 10 fb−1 である．今年度の主な成果の一つとして，トップ・反トップクォーク対生成（𝑡𝑡𝑡𝑡̅ 対生成）の前方・後方非対称性の測定が挙げられる．
これは，テバトロン加速器を用いたもう一つの実験グループである D0 の解析も統合した最終的な測定結果である．その内容を簡単に説明する．
摂動展開の高次項の影響により 𝑡𝑡𝑡𝑡̅ 対生成には前方・後方非対称性が存在する．図1 は非対称性に寄与するファインマン・ダイアグラムである．2011 年の 5.3 fb−1 のデータ量を用いた解析結

図 1: 陽子・反陽子衝突によって対生成される 𝑡𝑡𝑡𝑡̅
の前方・後方非対称性に寄与するファインマン・ダイアグラム．左右の干渉により非対称性が現れる．

果(1)では，𝑡𝑡𝑡𝑡̅ 系の不変質量（𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡̅ ）が 450 GeV/𝑐𝑐 2 以上の領域において，非対称性の測定結果が0.475 ± 0.114 であったのに対して理論予想は 0.088 ± 0.013 であり，3.4σ の比較的大きなずれが確認されたために注目を集めたという経緯がある．以来，理論的側面において，さらなる高次項の補正を計算する努力が続けられてきた．2013 年の結果(2)では，統計が約 2 倍になり，測定
値 0.295 ± 0.067 に対し理論計算は 0.100 ± 0.030 になった．このときには，非対称性の 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡̅ に対する依存性も直線フィットで求めており，その傾きが (15.5 ± 4.8) × 10−4 (GeV/𝑐𝑐 2 )−1 であったのに対して理論の予想は (3.4 ± 1.2) × 10−4 (GeV/𝑐𝑐 2 )−1 であった（2.4σ）．図2 は今回得られた非対称性の最終的な測定結果を 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡̅ の関数としてプロットしたものである．𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡̅ の全領域で積分した非対称性の総合的な値としては，0.128 ± 0.025 の測定値に対して理論予想は 0.095 ±0.007 であり，矛盾が無い（1.3σ）結果となった．傾きについても (9.71 ± 3.28) × 10−4 (GeV/𝑐𝑐 2)−1−4の測定結果に対して理論予想値は (5.11+0.42(GeV/𝑐𝑐 2 )−1 であった．
−0.62 ) × 10
2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本，金，東，井上，久木田，田中）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 4 月上旬までミュー
オンニュートリノ（𝜈𝜈𝜇𝜇 ）ビームモードでデータを取得し，10 月からミューオン反ニュートリノ（𝜈𝜈̅𝜇𝜇 ）ビームモードで再開した．ニュートリノモードのデータ総量は約 1.5 × 1021 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，反ニュートリノモードについては(1) Phys.

(2) Phys.

Rev. D 83, 112003 (2011)
Rev. D 87, 092002 (2013)36図 2: 𝑡𝑡𝑡𝑡̅ 前方・後方非対称性を 𝑡𝑡𝑡𝑡̅ の不変質量の関数として表したもの．青は CDF，赤は D0 グルー
プの結果，黒は両者を統合した結果．見やすいよ
うにそれぞれの不変質量に対応する 3 つの点は横軸上で少しずらしてある．内側の誤差棒は統計誤
差，外側は系統誤差を示す．黒の直線は測定結果に対するフィットであり，グレー領域は 1σ の範囲である．また，傾きが 𝛼𝛼𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡� で示されている．
オレンジの破線とそれを囲む領域は理論予想とその誤差である．

2018 年 3 月末の時点において約 1.3 × 1021 POT に到達した．ここでは，2016 年 5 月までのニュートリノモードと反ニュートリノモード，それぞれ約 7.5 × 1020 POT のデータを用いた解析結果を述べる．これは， 𝜈𝜈𝜇𝜇 あるいはその反粒子がニュートリノ振動により消失する現象と電子ニュートリノ（𝜈𝜈𝑒𝑒 ）あるいはその反粒子が出現する現象を同時に解析した総合的なものである．図 3 は，
ニュートリノ振動現象を記述する二つのパラメータの測定結果を示している．このパラメータは

図 3: ニュートリノ振動パラメータ sin2 𝜃𝜃23 と2Δ𝑚𝑚32の測定結果．黒色が T2K の結果で，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．T2K 以外の実験結果も示している．

簡単にいえば 𝜈𝜈𝜇𝜇 がタウニュートリノ（𝜈𝜈𝜏𝜏 ）に変化する現象を記述するものである．横軸の sin2 𝜃𝜃23
2は振動の大きさ，縦軸の Δ𝑚𝑚32
は振動の速さに関係するパラメータである．図右上に書いてある
Normal Ordering とは，質量固有状態のニュートリノの質量階層性を表しており，𝜈𝜈𝜏𝜏 成分を最も多く含む質量固有状態（𝜈𝜈3 ）が最も重い場合を指しており，逆に 𝜈𝜈3 が最も軽い場合は Inverted
Ordering と呼ばれる．この図から，他の実験の測定結果と矛盾が無いことや T2K が世界最高精度で測定していることがわかる．図 4 は，ニュートリノにおける粒子・反粒子対称性（CP 対称性）の破れを表すパラメータの測定結果である．CP の破れは sin 𝛿𝛿CP で表されるので |𝛿𝛿CP | = 0 ある
いは π の場合は CP 対称性が保存されていることになる．縦軸はフィットの尤度であり，値が小さいほどデータとモデルの一致が良いことを表す．90% の統計的信頼度の範囲も示してあり，
Normal Ordering の場合は −2.95 < 𝛿𝛿CP < −0.44，Inverted Ordering の場合は −1.47 < 𝛿𝛿CP < −1.27
である．いずれの場合においても CP 保存は領域外にあるので，90% の統計的信頼度においてCP 保存が排除されるという極めて重要な結果が得られた．また，質量階層性については Normal
Ordering の方がデータによってより強く支持されているようである．CP 非保存の実験的証明や質量階層性の解明にはさらに高い信頼度が必要であり，より高精度の測定が重要である．

37

図 4: CP 対称性の破れを表すパラメータの測定結果．縦軸は尤度を反映する量であり，小さい値ほどデータとの一致が良いことを表す．斜線で囲まれた範囲は 90% の統計的信頼度を表す．

ニュートリノ振動解析における系統誤差の抑制を目的とした新しい前置ニュートリノ検出器
WAGASCI（WAter-Grid-And-SCIntillator）の開発・製作を今年度も継続した．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 5 に示すように実機モジュールを完成させた．これを専用タンクの中に挿入して前置検出器ホールに設置し，水を注入した．この水モジュールの前には既存のプラスチック標的検出器，後ろにはミューオン検出器としての役割をもつ既存の鉄標的モジュールが置いてある．製作過程においては，プラスチックシンチレータの光量や光クロストークの測定，読み出しエレクトロニクスの開発も行った．10 月からニュートリ
ノビームデータ取得を開始し，図 6 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．

図 5: 完成した WAGASCI 検出器．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挿入
し水を注入する．

図 6: WAGASCI 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とハドロンの飛跡を再構成していると考えられる．

WAGASCI 検出器の横には，大角度で生成されたミューオンを検出するため，鉄とプラスチッ

38クシンチレータのサンドイッチ構造をもつミューオン飛程検出器，Side Muon Range Detector（SMRD）が 2 台設置される予定である．シンチレータの製作はロシアの INR グループによって既に完了しており，我々は 11 月に 1 台目の組み立てを行った．今後は 2 台目の組み立てを行うと共に読み出しエレクトロニクス開発を継続する予定である．

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，森本，吉中，足立，高橋，
西原）
原子核に束縛されたミューオンが電子に直接的に転換する過程，いわゆるミューオン・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．電子を検出する multi-wire
proportional chamber（MWPC）や信号読み出しエレクトロニクス等の開発は基本的には終了して
おり，検出器の更なる高精度化を図りながら実験で使用するビームラインの建設を進めているところである．また，今年度は特に，ミューオン・電子転換過程に対する最も大きな背景事象である束縛ミューオンの軌道上崩壊（decay-in-orbit．略して DIO）の測定を，J-PARC の物質・生命科学実験施設（MLF）にあるミューオンビームライン（D ライン）を用いて行った．MWPC は 4台の実機全てを投入し，全システムの稼働テストも兼ねた実験である．図 7 にそのセットアップ
を示す．写真上部に見えるミューオンビーム出口直後に標的を置き，標的内に生成されたミューオン原子からの DIO 由来の電子を，電磁石の上流と下流に 2 台の MWPC を配置して検出する．
標的としてはホルミウム，グラファイト，シリコン，シリコンカーバイドを用いた．図 8 は，カーボン標的内で静止した正電荷ミューオンの崩壊によって生成された電子の運動量を再構成したものである．これらの電子の最大運動量は運動学的に 52.5 MeV/c と知られており，高運動量側のエッジに対応しているため，運動量測定の較正にも使用できる．青と緑の違いは電磁石の選択
運動量領域の違いである．エッジが見えていることから運動量測定は基本的には成功していることがわかる．現在， DIO の運動量分布の測定に向けてより詳細なデータの理解を進めている．
DIO 測定データのその他の較正については，ミューオンビームが到来する時刻をプラスチック
シンチレータによるカウンターを用いて決定した上で，MWPC システムとの同期をとる方法を開発したことなどが挙げられる．一方，実験計画が実現に向けて進捗する中，ビームライン初段に位置する電磁石に供給する電流を，より現実的な値にし，同時にその他の電磁石群の運転パラメ
ータを最適化した場合の実験感度の評価等も行った．

図 8: 運動量スペクトロメータによって再構成された
正電荷の電子の運動量分布．カーボン標的内で静止した正電荷ミューオンの崩壊により生成された電子を検出している．青と緑は，電磁石の選択運動量領域の違いに対応している．

図 7: J-PARC MLF の ミューオンビームライン（Dライン）の D2 エリアにおいて行ったミューオン軌
道上崩壊測定実験のセットアップ．

39

また，光センサー MPPC を読み出しに用いたシンチレーティングファイバー飛跡検出器の製作を検討するために，光量測定の基礎的事項を 4 年生に確認してもらった．

教育・研究業績
学術論文
1. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Combined Analysis of Neutrino and Antineutrino Oscillation at T2K”, Physical Review Letters 118,
151801 (2017).
2. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the 𝐷𝐷 + -meson production cross section at low transverse momentum in 𝑝𝑝𝑝𝑝̅
collisions at √𝑠𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review D 95, 092006 (2017).
3. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “Search for Lorentz and CPT violation using sidereal time dependence of neutrino
flavor transitions over a short baseline”, Physical Review D 95, 111101-R (2017).
4. T. Fukuda, H. Kim, Y. Seiya et al. : “First neutrino event detection with nuclear emulsion at J-PARC
neutrino beamline”, Progress of Theoretical and Experimental Physics 2017, 063C02 (2017).
5. K. Yamada, H. Kim, Y. Seiya et al. : “First demonstration of an emulsion multi-stage shifter for
accelerator neutrino experiments in J-PARC T60”, Progress of Theoretical and Experimental Physics
2017, 063H02 (2017).
6. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Updated T2K measurements of muon neutrino and antineutrino disappearance using 1.5 × 1021
protons on target”, Physical Review D 96, 011102 (2017).
7. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurement of 𝜈𝜈̅𝜇𝜇 and 𝜈𝜈𝜇𝜇 charged current inclusive cross sections and their ratio with the T2K
off-axis near detector”, Physical Review D 96, 052001 (2017).
8. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the inclusive-isolated prompt-photon cross section in 𝑝𝑝𝑝𝑝̅ collisions using the full
CDF data set”, Physical Review D 96, 092003 (2017).
9. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) :“Measurement of neutrino and antineutrino oscillations by the T2K experiment including a new
additional sample of 𝜈𝜈𝑒𝑒 interactions at the far detector”, Physical Review D 96, 092006 (2017).
10. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration) : “First
measurement of the 𝜈𝜈𝜇𝜇 charged-current cross section on a water target without pions in the final
state”, Physical Review D 97, 012001 (2018).
11. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF and D0 Collaboration) :“Combined Forward-Backward Asymmetry Measurements in Top-Antitop Quark Production at theTevatron”, Physical Review Letters 120, 042001 (2018).
12. K. Abe, J. Harada, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Wakamatsu, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “Measurement of the single 𝜋𝜋 0 production rate in neutral current neutrino
interactions on water”, Physical Review D 97, 032002 (2018).
国際会議講演等
1. 手島 菜月 : ”DeeMe experiment to search for muon to electron conversion at J-PARC MLF”，The
19th International Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFact2017)，2017年9月25日～30日，
Uppsala, Sweden.
2. 金 賢一 : “Measurement of neutrino interaction ratio between water and hydrocarbon using a new
detector with a 3D grid structure” (poster)，The 19th International Workshop on Neutrinos fromAccelerators (NuFact2017)，2017年9月25日～30日，Uppsala, Sweden.
3. 東 佑真 : ”Development of data acquisition system for a new neutrino detector WAGASCI”，Osaka

40

City University and National Taiwan Normal University Joint Workshop，2017年9月29日，Osaka,
Japan.

学会・研究会講演等
1. 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開発の現状」，
第 7 回高エネルギー物理春の学校，2017 年 5 月 18 日～20 日，湖邸滋びわこクラブ，滋賀県
大津市北小松．
2. 手島 菜月：「μ-𝑒𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる検出器の準備と DIO スペクトル測定について」，日本物理学会 2017 年秋季大会，2017 年 9 月 12 日～15 日，宇都宮大学 峰キャンパス．
3. 森本 史明：「μ-𝑒𝑒 転換過程探索実験 DeeMe における実験領域を満たす He ガスによる飛跡再構成への影響について」，日本物理学会 2017 年秋季大会，2017 年 9 月 12 日～15 日，宇都宮大学 峰キャンパス．
4. 金 賢一：「水とプラスチックのニュートリノ反応断面積比測定に向けた 3 次元格子型検出器 WAGASCI の建設状況および性能評価」，日本物理学会 2017 年秋季大会，2017 年 9 月 12
日～15 日，宇都宮大学 峰キャンパス．
5. 井上 翼：「3 次元格子構造ニュートリノ検出器 WAGASCI におけるプラスチックシンチレータの光量とクロストークの測定」，日本物理学会 2017 年秋季大会，2017 年 9 月 12 日～15
日，宇都宮大学 峰キャンパス．
6. 東 佑真：「ニュートリノ検出器 WAGASCI における新型 ASCI・SPIROC2D を用いた信号
読み出しエレクトロニクスの開発状況」，日本物理学会 2017 年秋季大会，2017 年 9 月 12 日
～15 日，宇都宮大学 峰キャンパス．
7. 金 賢一：「ニュートリノ振動現象の研究 ～ 反物質が消えた宇宙の謎への挑戦 ～ 」，公立三大学共催インタラクティブ・マッチング（企業と博士人材の交流会），2017 年 12 月 8日，大阪市立大学 梅田サテライト．
8. 手島 菜月：「Detectors for the DeeMe Experiment」，第 8 回 Muon 科学と加速器研究，2018
年 1 月 9 日～11 日，高エネルギー加速器研究機構，つくば．
9. 久木田 直哉：「ニュートリノ振動実験 T2K におけるミューオン検出器の建設及び性能評価」，
アインシュタインセミナー，2018 年 2 月 20 日～22 日，和歌山県紀美野町セミナーハウス未来塾．
10. 手島 菜月：「ミューオン電子転換過程探索実験 DeeMe の現状と検出器の改良について」，
アインシュタインセミナー，2018 年 2 月 20 日～22 日，和歌山県紀美野町セミナーハウス未来塾．
11. 久木田 直哉：「J-PARC WAGASCI プロジェクトにおける横方向ミューオン飛跡検出器用
データ収集エレクトロニクスの読み出しパラメータの最適化」，日本物理学会第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．
12. 東 佑真：「ニュートリノ検出器 WAGASCI における新型 ASIC・SPIROC2D を用いた信号
読み出しシステムの動作状況」，日本物理学会第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，
東京理科大学 野田キャンパス．
13. 吉中 晴香：「DeeMe 実験で用いられる読み出しエレクトロニクスの較正」，日本物理学会
第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．
14. 森本 史明：「μ-𝑒𝑒 転換過程探索実験 DeeMe における DIO バックグラウンドの評価」，日
本物理学会第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．
15. 清矢 良浩：「ミュオン電子転換過程探索実験－DeeMe－：準備状況（9）」，日本物理学会
第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．
16. 田中 慎也：「J-PARC WAGASCI プロジェクトにおける横方向ミューオン飛跡検出器の宇宙線を用いた性能評価」，日本物理学会第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．

41

17. 金 賢一：「J-PARC T59 実験：反ニュートリノビームを用いた新検出器 WAGASCI の性能評価」，日本物理学会第 73 回年次大会，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．
18. 手島 菜月：「μ-𝑒𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる高レート耐性 MWPC の改良と性能評価」，2018 年 3 月 22 日～25 日，東京理科大学 野田キャンパス．

学位論文
卒業論文
1. 足立 真尋，高橋 拓也，西川 大雅：「シンチレーションファイバーの光量測定に向けた
諸測定」

修士論文
1. 東 佑真：「新ニュートリノ検出器 WAGASCI の建設と新型 ASIC・SPIROC2D を用いた信号読み出しシステムの開発」
2. 井上 翼：「新ニュートリノ検出器 WAGASCI の製作及びそれに用いられるプラスチッ
クシンチレータ間のクロストークの研究」
3. 森本 史明：「ミューオン・電子転換過程探索実験 DeeMe における単一事象感度およびミューオン decay-in-orbit バックグラウンドの評価」

研究助成金取得状況
1.

2.
3.

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．
清矢 良浩：基盤研究（A）「革新的な実験手法を用いたミューオン・電子転換過程探索の進展」（分担），直接経費：200万円，間接経費：60万円．
清矢 良浩：基盤研究（C）「次世代型ミュー粒子・電子転換過程探索実験に向けたファイバ
ー飛跡検出器の開発」（代表），直接経費：50万円，間接経費；15万円．

その他
1.
2.

清矢 良浩：「宇宙の起源解明への挑戦」，大阪市立大学工作技術センターレポート Fabrica
No. 29，p10
清矢 良浩：神戸大学 大学教育推進機構国際教養教育院 外部評価委員

42

重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)伊藤 洋介 (准教授,10 月より)
田越 秀行 (准教授,4 月末まで)
土田 怜 (博士研究員,10 月より)
横澤 孝章 (JSPS 特別研究員,11 月末まで)
金山 雅人 (博士研究員,7 月 2 日まで)
内潟 那美 (博士研究員,4 月末まで)
成川 達也 (博士研究員,4 月末まで)

譲原 浩貴 (D3,12 月末まで)
田中 一幸 (D3)宮本 晃伸 (D2)
鍛治 毅 (M2)北岡 佑一 (M2)佐々井 毬花 (M1)田中 健太 (B4)
山村 晴菜 (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。(図 1) 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-4 月の常温鏡での試験運転 ‘iKAGRA’ に引き続き、2017 年は年度末の低温鏡によるマイケルソン干渉計動作に向けてインストールを続け、2017 年３月には片方の鏡を冷やしての動作を行った。（その後、2018 年 4,5 月に試験運転を行った。）
本研究室では、データ転送系とデータ解析、そしてキャリブレーション関連を中心に KAGRAの運転に貢献した。

図 1: 大型低音重力波望遠鏡 KAGRA （KAGRA トンネル坑内にて撮影）

2. 重力波観測時代に臨む較正標準化とデータ解析高精度化レーザー干渉計型重力波検出器の較正（キャリブレーション）を、励起用レーザー光源の強度を正確に較正することで国際標準化を行い、またそれと並行して重力波イベントの解析の精度評価とより高精度化を行う。こうしたハードウエアとソフトウエアの両面で重力波観測時代にめざすサイエンスを研究するものである。本年度は、重力波検出器 KAGRA におけるフォトンキャリブレーター（レーザー光の輻射圧で鏡に変位を与える方式）装置のインストールが進み、光学積分球によるレーザー強度標準較正システムの構築が進んだ。またソフトウエア面では、重力波信号 h(t)の再構築を中心に、デジタルフィルタの実装などが進んだ。KAGRA 実験のデータを本研究で使用する計算機へ転送・処理するソフトウエア部分も完成度を高め、安定して運転している。オフラインのデータ解析では、種族 III 星の存在有無を重力波観測より確かめる解析方法についての論文を発表した。種族 I,II 星のみであるか、それとも種族 III 星も存在するかを、尤度解析に基づいて定量的に述べる手段を提案した。その結果、例としてあるモデルに43

おいては、検出数 22 イベントで信頼度 90%で種族 III 星の有無を判別できるという予想であった。この解析では質量・距離の決定精度という形で信号較正の周波数依存性の系統的な効果が反映される。

3. 神田は、「文部科学省 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）平成 29〜33
年度 Gravitational wave physics and astronomy: Genesis（重力波物理学・天文学：創世記） 領域番号：2905」の計画研究 C01：
「重力波天文学で解き明かす超新星爆発の物理 (代表: 固武慶・福岡大学准教授)」の研究分担者である。この研究では、重力崩壊型の超新星爆発で生じる重力波の理論計算と、実際に観測された場合に引き出せる物理情報を研究し、超新星爆発のメカニズムを解明することを目指している。大阪市大ほかの計算機に転送する
KAGRA の観測データを実際に用いて、重力波波形をどのように解析するかについての開発も行っている。
4. 伊藤は、「文部科学省 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）平成 29〜33
年度 Gravitational wave physics and astronomy: Genesis（重力波物理学・天文学：創世記） 領域番号：2905」の計画研究 B01：
「中性子星を含む連星、パルサー、マグネターからの重力波による宇宙物理学の研究 (代表: 田越秀行・東京大学准教授)」の研究分担者である。
本計画研究において伊藤は、単独中性子星からの重力波の検出コードの開発をおこなっている。また、本研究室の田中は、radiometer と呼ばれる手法を用いて、特定の方向から到来す
る、乱雑な位相を持つ重力波の検出コードの開発と KAGRA 重力波検出機データへの適用をおこなっている。
5. 検出可能性が指摘されている有望な重力波源として、低質量 X 線連星サソリ座 X-1 がある。
ここで検出を妨げている最大の問題は、現在サソリ座 X-1 に存在する中性子星の自転周期が不明なことで、これを調べるために、京都大学准教授の榎戸輝揚氏が代表となって「さそり座 X-1 の専用モニタリング小型衛星による定常重力波への挑戦」を上記新学術研究の公募研究に応募し、採択されている。伊藤は榎戸氏に協力し、重力波源としての問題点および検出時に得られるサイエンスについて議論をまとめている。
6. KAGRA のサイエンスに関する議論として、低周波数 (∼100Hz)、中間周波数 (100Hz-500Hz)、
高周波数 (500Hz∼) における可能な重力波源と期待されるサイエンスを提示し、低周波で感度の良い LIGO/Virgo 重力検出器に対して中間周波数-高周波数で感度を良くすることで
LIGO/Virgo に伍する結果を得るべきとの報告をまとめた。
7. 独立成分解析 (Independent Component Analysis: ICA) の研究をおこない、重力波実デー
タへの適用および有用性について議論をおこなっている。
8. KAGRA 試験運転データに対する重力波探索と相関解析 (譲原、博士論文より）
本研究では 2016 年にテスト運転を行った日本のレーザー干渉計型重力波検出器 KAGRA のデータについて、連星合体からの重力波探索と相関解析という 2 つの信号探索を行った。連星合体からの重力波探索ではマッチドフィルター手法を用いて重力波信号の探索を行った。
重力波の痕跡は発見できなかったが、バックグラウンドの見積りに一般極値分布を用いた独自の手法を提案し、連星合体のイベントレートの上限値を求めた。一般極値分布によるフィッ
ト結果は図 2 にまとめた。半径 1.5 pc の一様球内にある 1∼3 太陽質量の連星合体のイベン
トレートが 4.7 ×102 event/yr 以下であると 90%信頼度で制限した。
連星合体からの重力波探索の結果としてカイ二乗の値が大きかった 68 個の標本について、干渉計に入射するレーザー光の制御信号 8 チャンネルと主干渉計信号の相関解析を行った。従来手法である Pearson 法による線形相関解析に加えて、新たに MIC(Maximum Information
Coeﬃcient) 法を用いた非線形相関解析を導入した。合計 544 個の組み合わせについて検定を行い、そのうち 20 が無相関、524 が線形相関、4 つが非線形相関であることを示した。この解析から KAGRA 検出器のレーザー光制御と主干渉計信号の間に非線形相関が存在することを明らかにした。

44

図 2: 検出統計量のヒストグラム (赤線). 今回新たに導入した一般極値分布によるフィッティングの結果 (黒線).

教育・研究業績
学術論文
1. T Akutsu et al., the KAGRA collaboration,“Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory”,
Progress of Theoretical and Experimental Physics, Volume 2018, Issue 1, 013F01 (2018),
DOI 10.1093/ptep/ptx180
2. Yousuke Utsumi, et al., the J-GEM collaboration,“J-GEM observations of an electromagnetic counterpart to the neutron star merger GW170817”,
Publications of the Astronomical Society of Japan, Vol.69, Issue 6, 101 (2017),
DOI 10.1093/pasj/psx118
3. Akinobu Miyamoto, Tomoya Kinugawa, Takashi Nakamura, and Nobuyuki Kanda,“How to confirm the existence of population III stars by observations of gravitational
waves”,
Phys. Rev. D, 96, 64025 (2017),
DOI 10.1103/PhysRevD.96.064025
4. 神田展行, “重力波観測が明らかにする中性子星連星の姿”,
天文月報, 2018 年 1 月号 Vol.111, No.1, 8-10 (2018)
5. Yuta Michimura, Tomofumi Shimoda, Takahiro Miyamoto, Ayaka Shoda, Koki Okutomi,
Yoshinori Fujii, Hiroki Tanaka, Mark A Barton, Ryutaro Takahashi, Yoichi Aso, Tomotada
Akutsu, Masaki Ando, Yutaro Enomoto, Raﬀaele Flaminio, Kazuhiro Hayama, Eiichi Hirose, Yuki Inoue, Takaaki Kajita, Masahiro Kamiizumi, Seiji Kawamura, Keiko Kokeyama,
Kentaro Komori, Rahul Kumar, Osamu Miyakawa, Koji Nagano, Masayuki Nakano, Naoko
Ohishi, Ching Pin Ooi, Fabián Erasmo Peña Arellano, Yoshio Saito, Katsuhiko Shimode,
Kentaro Somiya, Hiroki Takeda, Takayuki Tomaru, Takashi Uchiyama, Takafumi Ushiba,
Kazuhiro Yamamoto, Takaaki Yokozawa and Hirotaka Yuzurihara,“Mirror actuation design for the interferometer control of the KAGRA gravitational wave
telescope”,
Classical and Quantum Gravity, Volume 34, Number 22, 225001, (, 22017),
DOI 10.1088/1361-6382/aa90e3

45

学会・研究会講演1. 神田展行, 特別セッション「重力波観測でわかる連星合体の姿」, 日本天文学会, 2017
2. 神田展行, (シンポジウム講演)「重力波実験の現状と展望」, 日本物理学会 2017 年秋季大会,
2017
3. Nobuyuki Kanda, “Overview of this workshop GWASNe2018 and (personal) prospect for
GW detection/analysis for CCSN”, GWASNe2018(Gravitational-Wave Astronomy of corecollapse SuperNovae), 2018
4. N.Kanda, “KAGRA data management and analysis”, The 3rd KAGRA International
Workshop (KIW3), 2017
5. 神田展行, 「重力波検出成功の決定的必要事項と今後の観測」, 神戸大学 第５回 物理学科・物理学専攻 談話会, 2017
6. 神田展行, 「重力波観測で挑むブラックホール連星の起源」, 名古屋大学 素粒子物理学各論・談話会, 2017
7. 土田怜, 「レーザー干渉計型重力波検出器の不定遷移波形解析による暗黒物質信号の探索」,
日本物理学会 2017 年秋季大会, 2017
8. 土田怜, 「重力波検出器 KAGRA における信号再構成にむけたデジタルフィルタの実装と系
統誤差の評価」, 日本物理学会第 73 回年次大会, 2018
9. 佐々井毬花, 「KAGRA データ転送・保管系の拡張とオンラインモニターの開発」, 日本物理学会第 73 回年次大会, 2018
10. 宮本晃伸, 「重力波観測による種族 III 星の存在の間接的証明方法の研究」, 日本物理学会
2017 年秋季大会, 2017
11. 譲原浩貴, 「iKAGRA データ解析：中性子星連星合体探索と補助チャンネルを用いた相関解
析」, 日本物理学会 2017 年秋季大会, 201712. 横澤孝章, 「重力波検出器 KAGRA における重力波信号較正と波形注入試験」, 日本物理学会 2017 年秋季大会, 2017
13. Takaaki Yokozawa, “Study of Hilbert-Huang ransform using iKAGRA injection data”,
GWPAW2017 (Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop), 2017
14. Takaaki Yokozawa, “Toward the bKAGRA Hardware injecction”, The 3rd KAGRA International Workshop (KIW3), 2017
15. Akinobu Miyamoto, “Possible confirmation of the existence of Population III stars byobservation of gravitational waves“, National Taiwan Normal University and Osaka City
University Joint Workshop, 2017
16. Marika Sasai, “Evaluation of noise characteristics of iKAGRA data: Gaussianity, Stationarity and Bi-spectrum“, National Taiwan Normal University and Osaka City University
Joint Workshop, 201717. 宮本晃伸, 「重力波観測で探る宇宙の初代星」, 大阪市立大学アインシュタインセミナー 201818. 伊藤洋介,「重力波で探る宇宙」, 教室談話会, 2017/10/26
19. 神田展行,「重力波観測と 2017 年ノーベル物理学賞」, 物理教室談話会, 2017/11/17
20. 伊藤洋介,「中性子星と重力波天文学」, 物理教室談話会, 2017/11/17

46

学位論文
博士論文
1. 譲原浩貴 ： “Search for Gravitational Waves from Compact Binary Coalescences andCorrelation Analysis of Laser Interferometer” (コンパクト連星合体からの重力波探索とレーザー干渉計における相関解析)

修士論文
1. 鍛治 毅：重力波検出器 KAGRA の時刻同期系の評価 ( Characterization of timing synchronization system for KAGRA gravitational wave detector )2. 北岡 佑一：歳差運動するコンパクト連星合体からの重力波 ( Gravitational waves from precessing compact binary coalescence )卒業研究1. 田中健太：DC マイケルソン干渉計のフィードバック制御と較正
2. 山村晴菜：スペクトログラムによる信号波形解析 〜重力波と干渉計の信号を眺める〜

研究助成金取得状況
1. 科学研究費助成事業 基盤研究 (S)「重力波観測時代に臨む較正標準化とデータ解析高精度化」（代表：神田展行、2017-2021 年度）
2. 科学研究費助成事業 「パルサーからの重力波の探索」（代表：伊藤洋介、2015-2019 年度）
3. 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「重力波物理学・天文学：創世記」
計画研究 B01「中性子星を含む連星，パルサー，マグネターからの重力波による宇宙物理学の研究」（代表：田越秀行（東大宇宙線研）、分担：伊藤洋介ほか、2017-2021 年度）
4. 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「重力波物理学・天文学：創世記」
計画研究 C01「重力波天文学で解き明かす超新星爆発の物理」（代表：固武 慶（福岡大理）、分担：神田展行ほか、2017-2021 年度）
5. 科学研究費助成事業 「高速掃天観測による連星中性子星合体現象の研究」（代表：茂山俊和（東大理）、分担：伊藤洋介ほか、2016-2020 年度）
6. 科学研究費助成事業 「多波長重力波宇宙物理学の開拓」（代表：横山順一（東大理）、分担：
伊藤洋介ほか、2015-2019 年度）

海外出張および海外研修
1. 横澤孝章, 田越秀行, 神田展行,“3rd KAGRA International workshop”, Academia SINICA, Taiwan, 5/20-22, 2016
2. 横澤孝章, 田越秀行, 神田展行,“Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2017”, Annecy, Fracnce, 6/30-7/2,
2017
3. 横澤孝章, 米国 LIGO 実験 Hanford 観測所, Hanford, Washington, USA, 9/24-10/1, 201747

外国人研究者受け入れ
1. Yu-Kuang Chu, National Taiwan Normal University, 2017/9/30-10/4
2. Han-Shiang Kuo, National Taiwan Normal University, 2017/9/30-10/4
3. Wei-Ren Xu, National Taiwan Normal University, 2017/9/30-10/4
4. Yu-Kuang Chu, Academia SINICA, Taiwan, 2018/1/8-23
5. Yu-Kuang Chu, Academia SINICA, Taiwan, 2018/3/1-3

主催、共催の研究会
1. 超新星重力波研究会 GWASNe2018, 国立天文台, 2018/1/29-31

48

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 (M1)
岸田直也 (B4)中井智章 (B4)
城庵 颯 (B4)

研究概要
1. Belle II 国際共同実験（中野、岩崎）
高エネルギー加速器研究機構の SuperKEKB 加速器を用いた Belle II 国際共同実験を行なっている. Belle II 実験は，SuperKEKB 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. 大阪市立大学の研究グループは Belle II 測定
器の中央飛跡検出器 (CDC) を担当しており、CDC に関わるソフトウェアの開発、および、
CDC 内の電子のドリフトをシミュレーションして CDC の挙動の詳細な解析を行っている.

2017 年 4 月に Belle II 検出器をビームライン上に移動させた。この様子は、ニコニコ生放送
でネットワーク配信された。
夏季には宇宙線を用いて、Belle II 構造体に組み込んだ後の各検出器の試験的な測定と中央データ収集システムの試験を兼ねた統合データ収集を行った（図 1）。

g the summern (GCR)

図 1: 統合データ収集システムを用いて、これまでに組み込んだ全ての検出器で捉えた宇宙線の飛跡の例

trigger rates during
et stress tesYng the

Typical event display
with HLT tracks
49

また、3 月からは加速器にビームを周回させた状態での運転を開始し、Belle II 実験の phase
2 と呼ばれる運用が始まった。
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、phase 3 と呼ばれる本格的な実験開始に備えている。
さらに、阪大学中之島センターにおいて開催された、主に近畿地区の大学 4 年生、修士 1 年の大学院生を対象にした Belle II 実験の勉強会を共催した。この勉強会には約 40 名の参加者があり、Belle II 実験で目指す物理、SuperKEKB 加速器、Belle II 測定器の解説などが行われた。

2. 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.
T. JULIUS et al.
PHYSICAL
R
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 b クォーク対を大量に生成し、そこから生成される
B 中間子対の崩壊過程の CP 対称性の破れの探索、測定や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である (学術論文 2, 3, 8, 9, 11, 12, 18, 19, 20, 21, 22, 23). また，
チャームクォーク対生成事象や (学術論文 1, 4, 5, 7, 10, 14,15, 16)，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 6, 17)，ハドロン物理の解明にも寄与している. また、b クォーク対と同程度に生成される τ レプトン対事象を用いて τ レプトンの特性の測定や、標準模型では禁止されているレプトン数を破る崩壊過程の探索を行っている。(学術論文 13)
学術論文 2 では、B 0 → π 0 π 0 崩壊の分岐比とCP 非対称性を測定した。その結果、
PHYSICALREVIEW D 96, 032007 (2017)¯0

2: B → π of
π の質量分布（左）とB →(left)
π π の質量分布（右）．誤差棒付きの点がデータ、FIG. 1. 図
Projections
the fit results onto
ΔE, (middle) Mbc , and (right) T c are shown in
実線がデータをフィットした結果。青破線は信号成分、緑点線は軽いクォーク対生成事象からの寄2
25.275 GeV=c < Mbc < 5.285 GeV=c , −0.15 GeV < ΔE < 0.05 GeV, and T c > 0.7. Each panel sho
与、赤一点鎖線は他の B 中間子崩壊からの寄与。
the other two variables. Data are points with error bars, and fit results are shown by the solid black curcontinuum qq̄, combined ρπ and other rare B decays are shown by the dashed blue, dotted green
respectively. The top (bottom) row
panelsare for events with positive (negative)
q tags.
0
0 0
−6
0 0

0

0 0

B(B → π π ) = (1.31 ± 0.19(stat) ± 0.19(syst)) × 100
0 0 continuum PDF
The significance of the resu
for eþ e− → qq̄ are generated
from
ACP (B→ πtheπ ) = +0.14 ± 0.36(stat) ± 0.10(syst)
shapes. We observeing the statisticaland additivepﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃﬃを得た。a 1% (2%) bias for the yield (ACP ) due
to limitations さらに、of the Belle
PDF実験がすでに測定した
ansatzes used toBmodel
the
data.
calculating 2ðLm − L0 Þ, wh
0 → π+π−と B ± → π ± π 0 の結果と合わせることにThis bias is included
as a systematic error in the ϕfinal
B and
for the measured yield and L0
よって、ユニタリティ三角形の角度のうち、2 と呼ばれる角度の制限を向上させ、95%のþþ0gives a total significance of 6
A high-statisticsof τ → π π ντ
ACP calculation.
信頼度で15.5◦ < ϕ2 < 75.0◦sample
を排除（黒破線）した。
direct CP violation parameter
decays [24] is used to correct the prediction for the0
efficiency
of ΔE,
π detection.
sults
onto (left)(middle) Mbc , and (right) T c are shown in the signal enhanced region:"
CP ¼ þ0.14
FigureGeV
1 shows
signal-enhanced
projectionsof theshows the distributionAenhanced
V=c2 , −0.15< ΔEthe< 0.05
GeV, and T c >0.7. Each panelin
50 solidyield, ΔE
and T care
. We
obtainsignalto errordata inMbc
intsfits
with
bars,
and
fit results
shown
byatheblackofcurves.
Contributions
from signal,
The
second uncertainty
is sys217rare" 32
events. are
Assuming
thetheϒð4SÞ
decayschargedother
B decaysshown bydashedblue,todottedgreen, and dash-dotted red curves,

MEASUREMENT OF THE BRANCHING FRACTION AND …

PHYSICAL

computing group for valuab
work support. We acknowled
Education, Culture, Sport(MEXT) of Japan, the Japa
Science (JSPS), and the Tauof Nagoya University; theAustrian Science Fund unde
National Natural Science
Contracts No. 10575109, N
No. 11175187, No. 114
No. 11575017; the Chinesfor Excellence in Particle Phy
Youth and Sports of the Cze
FIG. 2. Scanlevelϕ(CL)for ϕ2 using
only data
図 3: Belle 実験で測定された
B of
→the
ππconfidence
事象による、
ϕ2 依存性。赤破線は以前まで
2 の信頼度の◦◦LTT17020; the Carl Zeisof theBelle experiment.
dashedfrom B → ππ measurements68%の結果。青実線が今回の測定を含んだ結果。
の信頼度で9.5 < ϕThe
2 < 81.6 を排除（緑一点鎖
◦
◦
red
curve
shows
the
previous
constraint
from
Belle
data
[7],
the
Forschungsgemeinschaft, th
線）し、95%の信頼度で 15.5 < ϕ2 < 75.0 を排除（黒破線）した。
solid blue curve includes our new results. The updated results forand the VolkswagenStiftun
B0 → π 0 π 0 exclude 9.5° < ϕ2 < 81.6° at the 68% confidence
and Technology of India; tlevel (green dot-dashed line) and 15.5° < ϕ2 < 75.0° at 95% conNucleare of Italy; the WC
3. 分散制御開発・教育用ツールの開発（岩崎・中井）
fidence level (black dashed line).
Education, National Resear
大学における学生や，研究機関における新人スタッフに対する測定装置制御・加速器制御
Grantsおよび
No. 2011-002945の教育および，RaspberryPi3(RPi3)
was 測定装置制御の開発環境構築を目的として，
available (113 of 253 fb−1 ) in the earlier measurement
2014R1A2A2A01005286,
Arduino UNO
andを用いた開発・教育用ツールを開発した。
the subsequent extrapolation to the full data set. The
No. 2015R1A2A2A010032
resultreported here supersedes our earlier published values
機器制御ソフトウェアとしては、以下のような、素核宇分野で国際共同開発されたフリーソ
No. 2016R1D1A1B01010135,
and agrees with BABAR measurement [12] within comフトウェアを使用した。
2016K1A3A7A09005604, No
bined uncertainties. While this result is closer to theory
2016K1A3A7A09005606, No(a) EPICS：ネットワーク分散型測定器機器制御を構築。
predictions than the earlier Belle [11] and BABAR [12]the Brain Korea 21-Plusmeasurements, it isstill larger than expectations
based on(b) CSS：機器制御の画面操作，およびモニタリング。
このソフトウェアはLinux/Windows/MacOS
Research Institute, Foreign
the factorization model [26]. It is in agreement with the
計算機上で動作可能となっている
recent works of Qiao et al. [27] as well as Li and Yu [28]Application Supporting pr(c) データ蓄積には ROOT を用いた。
which employ different theoretical approaches. The
Experimental Data Hub Ce
upcoming
Belle II experiment [29], with its projected
Science and Technology Inf
研究室内に、図4 に示すような分散制御システムを構築し、測定機器制御開発を行った。
factorof50
increaseinluminosity,
will
enableprecision
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Science and Higher Educa
measurements of B and CP asymmetry of B0 → π 0 π 0 and
デジタルマルチメータを制御して、データを収集した。これらの結果について、研究会およCenter; the Ministry of Educother B → ππ decays to strongly constrain ϕ2 .
び日本物理学会において口頭発表を行った。
Federation and the Russian
the Slovenian Research
4. 深層学習システムの開発（岩崎、中井）ACKNOWLEDGMENTS
Foundation for Science andILC 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。
Spain;
the
Swiss National S
We thank
the KEKB group for the excellent
operation of
具体的には、ROOTのシミュレーションツールで、
ILC 加速器で計画されている
SiD
測定of Education and the Ministr
the accelerator; the KEK cryogenics groupFast
for シミュレーションを行った。中the efficient
器のパラメータを用いて、中性ヒッグス粒子生成過程のTaiwan; and the U.S. Departoperation of the solenoid; and the KEK computer group, the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したクォークのフ
National
InstituteofInformatics,
andthe
PNNL/EMSL
Science Foundation.
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[1] A.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
Bevan et al., Eur. Phys. J. C 74, 3026 (2014).
[6] トするプ
M. Gronau and D. London
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
[2] R. Aaij
et al. (LHCb Collaboration),
Phys.
Rev. Lett. 115,
[7] ンプログJ. Dalseno et al. (Belle
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。 092003 (2013).
031601 (2015).

[3] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), J. High Energy Phys.
12 (2016) 87.
[4] M. Kobayashi and T. Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49, 652
51(1973).
[5] Another naming convention, β (¼ ϕ1 ), α (¼ ϕ2 ) and[8] Throughout this Letter, th
decay modes is implied u[9] H. Li and S. Mishima, P[10] H. Li and S. Mishima, P[11] Y. Chao et al. (Belle Co教育・研究開発用に、研究室内にEPICSを用いた分散制御システムを構築
ネットワーク
Windows

PC

MacOS
PC

RPi3

デジタル
マルチメータLinux
PC

ArduinoIOC
OPI

RPi3にEPICSをインストールして
図 4: RPi3 に EPICS をインストールしてArduino とデジタルマルチメータを制御、温度を計測
Arduinoとデジタルマルチメータを制御
温度を計測(USB・シリアル通信、イーサーネット通信)．
（USB・シリアル通信、イーサーネット通信）
6. 検出器の開発（中野，岸田、城庵）
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 an alternative χc0 (2P ) candidate in e+ e− → J/ψDD̄”K. Chilikin et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 95, 112003 (2017)
2. “Measurement of the branching fraction and CP asymmetry in B 0 → π 0 π 0decays, and an improved constraint on ϕ2 ”
T. Julius et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 96, no. 3, 032007 (2017)
3. “Measurement of branching fraction and direct CP asymmetry in charmless
B + → K + K − π + decays at Belle”
C.-L. Hsu et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 96, no. 3, 031101 (2017)
4. “Search for CP Violation and Measurement of the Branching Fraction in the
Decay D0 → KS0 KS0 ”
N. Dash et al..
Phys. Rev. Lett. 119, no. 17, 171801 (2017)
5. “Production cross sections of hyperons and charmed baryons from e+ e− anni√
hilation near s = 10.52 GeV”
M. Niiyama et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 7, 072005 (2018)
6. “Invariant-mass and fractional-energy dependence of inclusive production of√di-hadrons in e+ e− annihilation at s = 10.58 GeV”

52

R. Seidl et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 96, no. 3, 032005 (2017)
0
+
− +
0
7. “Search for Λ+
c → ϕpπ and branching fraction measurement of Λc → K π pπ ”
B. Pal et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 96, no. 5, 051102 (2017)

8. “Evidence for Isospin Violation and Measurement of CP Asymmetries in B →K ∗ (892)γ”
T. Horiguchi et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 119, no. 19, 191802 (2017)
9. “Study of η and dipion transitions in Υ(4S) decays to lower bottomonia”
E. Guido et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 96, no. 5, 052005 (2017)
10. “Angular analysis of the e+ e− → D(∗)± D∗∓ process near the open charm threshold using initial-state radiation”
V. Zhukova et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 1, 012002 (2018)
11. “Measurement of the τ lepton polarization and R(D∗ ) in the decay B̄ → D∗ τ − ν̄τwith one-prong hadronic τ decays at Belle”
S. Hirose et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 1, 012004 (2018)
12. “Measurements of the absolute branching fractions of B + → Xcc̄ K + and B + →D̄(∗)0 π + at Belle”
Y. Kato et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 1, 012005 (2018)
13. “Measurement of the tau Michel parameters η̄ and ξκ in the radiative leptonic
decay τ − → ℓ− ντ ν̄ℓ γ”
N. Shimizu et al. [Belle Collaboration].
PTEP 2018, no. 2, 023C01 (2018)
14. “Observation of Excited Ωc Charmed Baryons in e+ e− Collisions”
J. Yelton et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 5, 051102 (2018)
15. “Search for CP violation in the D+ → π + π 0 decay at Belle”
V. Babu et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 1, 011101 (2018)
16. “Measurement of branching fractions of hadronic decays of the Ω0c baryon”
J. Yelton et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 3, 032001 (2018)
17. “Study of KS0 pair production in single-tag two-photon collisions”
M. Masuda et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 5, 052003 (2018)−
18. “Observation of Ξc (2930)0 and updated measurement of B − → K − Λ+c Λ̄c at
Belle”
Y. B. Li et al. [Belle Collaboration].
Eur. Phys. J. C 78, no. 3, 252 (2018)53

19. “Search for B − → µ− ν̄µ Decays at the Belle Experiment”
A. Sibidanov et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 121, no. 3, 031801 (2018)
20. “Inclusive study of bottomonium production in association with an η mesonin e+ e− annihilations near U psilon(5S)”
U. Tamponi et al. [Belle Collaboration].
Eur. Phys. J. C 78, no. 8, 633 (2018)
21. “Measurement of the branching fraction of B → D(∗) πℓν at Belle using hadronictagging in fully reconstructed events”
A. Vossen et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 98, no. 1, 012005 (2018)
22. “Measurement of time-dependent CP asymmetries in B 0 → KS0 ηγ decays”
H. Nakano et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. D 97, no. 9, 092003 (2018)
23. “Observation of Υ(4S) → η ′ Υ(1S)”
E. Guido et al. [Belle Collaboration].
Phys. Rev. Lett. 121, no. 6, 062001 (2018)24. 岩崎昌子（他４名）「RaspberryPi を用いた測定器データ収集システムの構築 - 安価に手軽に DAQ 構築-」高エネルギーニュース Vol.36 No.4 (2017)

学会・研究会講演1. 岩崎昌子：「Install EPICS on Raspberry-Pi」Spring 2017 EPICS Collaboration Meeting
招待講演 2017 年 5 月 京都大学原子炉実験所
2. 岩崎昌子：「EPICS Education at University」Spring 2017 EPICS Collaboration Meeting2017 年 5 月 京都大学原子炉実験所
3. 岩崎昌子：「Belle II 測定器」関西 B 実験 4 年生・M1 対象の勉強会
阪大学中之島センター

2017 年 5 月 31 日 大

4. 岩崎昌子：「CDC 検出器」関東 B 実験 4 年生・M1 対象の勉強会
大学東京秋葉原サテライトオフィス

2017 年 6 月 4 日 首都

5. 岩崎昌子：「大阪市大での EPICS 教育について」大学での EPICS 教育・チュートリアルに関する研究会（主催:岩崎）2017 年 12 月 15 日 大阪市立大学梅田サテライトキャンパス「RaspberryPi および Arduino を用いた測定装置制6. 岩崎 (大阪市大)、山本、上窪田 (KEK)：
御開発・教育ツールの開発」日本物理学会 2017 年秋季大会 2017 年 9 月 宇都宮大学

7. 青木香苗, 大内徳人,...., 岩崎昌子 (他 10 名, 12 番目)：
「QCS 冷却システムの開発 モニタリ
ングシステム-」第 1 回超電導応用研究会シンポジウム 2017 年 10 月
8. M.Iwasaki, ”Machine Learning Application to SuperKEKB / Belle2 in Osaka” Data Workshop Osaka-Groningen, Groningen 大学, (2018 年 3 月)
9. M.Iwasaki, ”Nuclear Physics Session Summary” Data Workshop Osaka-Groningen, Groningen 大学, (2018 年 3 月) (Session Corrdinator）

その他
1. 岩崎昌子：研究室見学 2017 年 7 月 10 日 大阪府立高津高等学校体験型進路学習 (GLHS 事業)

54

研究助成金取得状況
1. 平成 29 年度 連携型共同研究助成 （文部科学省「ダイバーシティ研究環境実現イニシア
ティブ（牽引型）」）88 万円（研究代表）

海外出張および海外研修
1. 岩崎昌子：オランダ、グローニンゲン大学

552018 年 3 月 27 日〜31 日

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(博士研究員)
榊原由貴(博士研究員)

芦田尊(M1)
大野木嵩智(M1)大川瞭(B4)
池永瑛紀(B4)
矢田貝祥貴(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、クォークも６種類確認されています。また、これらの素粒子の間に働く相互作用(重力、
電磁気力、弱い力、強い力)を媒介するゲージ場の存在も確認されています。近年、唯一の未発見粒子であったヒッグス粒子も発見されました。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2017年度に行われた研究は以下の通りです。	
 1. 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、CMSの最新データ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が標準模型の予言からそれぞれ0-20%、10-40%減少の有意なずれが可能であることを発見した。大統一理論が背後に存在する場合についても同様の解析を行い、ボトム湯川結合定数に10%減少のずれが許されることがわかった。このずれが生じうる簡単な高次元模型について議論した（論文1）。この研究は、Arindam Das氏(韓国
高等研究院)と岡田宣親氏(アラバマ大)との共同で進められた。
2. ゲージ・ヒッグス統一模型が予言するダークマターの研究（丸）	  最小５次元SU(3)xU(1)’ゲージ・ヒッグス統一模型において、観測されたヒッグス粒子
質量を再現するには付加的な物質場を加えなければならない。SU(3)3重項マヨラナフェル
ミオンを加えた場合、一番軽い電気的に中性な標準模型ゲージ群1重項成分が、ヒッグス質量の半分ほどの質量を持つダークマターの候補になり得る。ダークマターの安定性
は、ある種のZ2パリティによって保証される。その残存量を計算し、プランク衛星からのダークマター質量密度データと直接探索地下実験LUX2016データからの制限を満たすパラメタ領域を見つけた。125GeVヒッグス粒子質量を再現するためには、コンパクト化ス
ケールが108GeVでなければならないことがわかった（論文2）。この研究は、宮地昴志氏(大阪市大)、岡田宣親氏(アラバマ大)、岡田里見氏(山形大)との共同で進められた。
論文2で行った解析をさらに拡張して、SU(3) 6, 10, 15表現マヨラナフェルミオンについて、一番軽い電気的中性な標準模型ゲージ群1重項成分をダークマターとみなし、同様の解析からパラメタ領域を求めた。論文2との重要な違いは、表現が大きくなることによって、ヒッグス粒子質量を再現するためのコンパクト化スケールが10-100TeVまで下げられ56

ることであり、「自然さ」の観点から望ましい結果を得た（論文3）。この研究は、岡田
宣親氏(アラバマ大)、岡田里見氏(山形大)との共同で進められた。
	  ゲージ・ヒッグス統一模型では、階層性問題を解決するためにヒッグス場を高次元ゲー
ジ場の余剰空間成分に同一視する。この設定では、ヒッグス粒子と同じ量子数をもつ
SU(2)L 2重項ベクトル場が高次元ゲージ場の第１励起状態として模型によらずに必ず存在する。本研究では、このベクトル場がダークマターになる可能性を研究した。まず、ダークマターの安定性は、カルツァ・クラインパリティで保証される。ダークマター質量密度は、通常のWIMPと同様にダークマター質量が1TeVオーダーであれば説明できる。高次元
ゲージ対称性の構造から、SU(2)L2重項ダークマターはヒッグス場とZボソン場と直接相互作用しないことがわかり、直接探索地下実験からの制限を回避できることを示した（論文4）。この研究は、岡田宣親氏(アラバマ大)、岡田里見氏(山形大)との共同で進められた。
3. 物質優勢期における原始ブラックホールの形成（中尾）	  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、Hawking によって指摘され、それ以後、理論と観測の両面か
らこのテーマについて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おける加速膨張（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られる。昨年度は、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が、今年度は密度揺らぎの高次摂動効果を考慮して、角運動量の効果がブ
ラックホールの形成率を大幅に抑えることを明らかにした。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）との共同で進められた（論文5）。
4. 荷電ブラックホール周りの衝突ペンローズ過程（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包まれている。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ため、そこに侵入した粒子が、負のエネルギーを持つ粒子と正のエネルギーを持つ粒子に崩壊した場合、エネルギー保存が成り立つため、正のエネルギーの粒子は、侵入した粒子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のエネルギーが引き抜かれたことになる。このブラックホールからエネルギーが引き抜かれる物理過程は、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、粒子の２体衝突・散乱によって自転しているブラックホールからのエネルギーの引き抜き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、Kerr bound の臨界角運動量を持つ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も、荷電粒子は電気的なポテンシャル・エネルギーの寄与で負のエネルギーを持つことができる。それゆえ、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なエネルギーを引き抜くことができる。昨年度から引き続き今年度も、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、引き抜かれるエネルギーに上限はあるが、引き抜きの効率≡（引き抜かれるエネルギー）÷（投入するエネルギー）には上限が存在しないことを示した (論文6)。この研究は、早稲田大学の前田恵一氏と大川博督氏とともに進められた。

57

5. 超高速回転体 (Superspinar) の安定性について（中尾）	  超高速回転体 (Superspinar) は、その存在が超弦理論が示唆されている天体である。その外部の時空は Kerr bound を超える角運動量を持つ Kerr 時空である。これまでの研究
から、Kerr bound をわずかに超えた角運動量を持つ Kerr 時空において、その重力によって原理的に観測可能な高エネルギー物理現象が実現しうることが知られている。しかし、Kerr bound を超える角運動量を持つ 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おり、この結果に基づき、この２つのうちの１つの研究グループは、我々の宇宙では、定常状態の超高速回転体は存在できないと主張した。本年度は一昨年、昨年度に続いて考察を進めた結果、線形安定を保証する境界条
件が有限の測度で存在することが明らかになり、超高速回転体の物理的性質が明らかにならない限り、その安定性を議論することは不可能であることが示された (論文7)。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 of Mathematics, Polish Academy of Sciences, Poland) らと共同で進められた。
6. ワームホールの安定性（赤井、中尾）
重力研究の第一人者である Kip Thorne が友人の Carl Sagan から現実味の有る星間旅行の手段を教えて欲しいと頼まれて考えたのが、時空の虫食い穴（ワームホール）を用いる方法だった。Carl Saganにとっては、自身のSF小説をより説得力の有るものにすることが目的だったが、Kip Thorneはその後、この考察を共同研究者とさらに進めて1988年にPhysical Review Lettersに発表し、重力研究の分野に（色々な意味で）強い衝撃を与えた。。
ワームホールによって時空の点Aと点Bがつながると、ワームホールが無い場合に比べて大幅な近道となる移動が可能になる。このAとBは空間的に離れていても良いし，時間的に離れていても構わないため。空間的に離れている場合はいわゆるワープ航法が可能にな
り、時間的に離れている場合はタイムマシンとして使用可能である。一般相対論は，このようなワームホール構造を解として許すが，無条件にという訳ではなく、光的エネルギー条件を破る奇妙な物質がワームホール構造を維持するために必要である。また，光的エネ
ルギー条件を満たしている物質からできている我々が入っても安定に存続するワームホールでなければ，役に立たない。Thorneの論文発表以降、ワームホールは重力研究の分野
で市民権を得て、多くの研究者がその可能性について議論してきた。我々の研究グループ
では、負の張力を持つブレーン(brane)と呼ばれる“物質”で支えられた球対称なワームホールに有限質量の無限に薄い球殻を通過させたときの安定性を調べ、球殻が通過した後も存続するブレーン・ワームホールは理論上存在することを明らかにした(論文8)。
7. 非一様ブラックストリングの熱力学及び動力学的安定性の解析（鈴木）
4 次元時空中のアインシュタイン方程式は、唯一性定理により真空かつ漸近平坦時空において球対称回転ブラックホールであるカー族のみを定常解として持つが、D>4 である高次元時空においては、ブラックリング解に代表される非球対称定常解が多数存在している。ところが、このような非球対称解は一般に解析が難しいため、近似的手法または数値解の構成による解析に頼らざるをえない。
近年、高次元ブラックホールの近似的解析手法として、「高次元極限(Large D limit)」を用いた手法が発展してきた。高次元極限においては様々なホライズン時空が単純な共通構造を持ち、ダイナミクスの解析が非常に見通しのよいものとなる。特に、ブラックホールのダイナミクスがホラ
イズン面上の「有効理論」に帰着することがわかった。
すでに先行研究においては高次元有効理論を用いて非一様ブラックストリング(NUBS)の熱力
学的安定性が解析していたが、本研究では動的な解析を行い、NUBS の動的安定性を解析的に調べた。結果、高次元極限における NUBS の動的な安定性を解析的に示すことができた。また、それ以下の次元で NUBS が不安定になる臨界次元の存在を動的な解析においても示した。

58

先行研究における熱力学的な解析についても、1/D 展開についての補正をより高次まで求めることができた。
本研究は Barcelona 大学(Spain)の Roberto Emparan 氏, Raimon Luna 氏, Marina Martinez 氏、そして立教大学(当時)の田邉健太郎氏と共同で行われた(論文 9)。
8. ボゾン− フェルミオン微分相互作用の構成法（榊原）
現在、我々や星などを構成する物質の振る舞いは標準理論で記述できるが、宇宙初期の様な高エネルギー下で物質がいかなる理論に従っているのかは明らかではなく、それを地球上の実験によって探ることは困難である。一方、宇宙背景放射や初期宇宙由来の重力波は宇宙初期の情報を担っているため、宇宙の観測を通して、宇宙初期に物質が従っていた理論や我々を構成する物質が形成されてきた過程の情報を得られる可能性が指摘されている。情報を引き出すには、実際に理論の予言と観測結果との比較を行う必要があるが、まず原理的に可能な最も包括的な理論を考えることが一つの手段である。より少ない仮定か
ら出発した一般的な理論の構成については、ボソンについては議論されてきたが、フェルミオンについてはこれまであまり議論されてこなかった。我々は、この分野が未開拓であったため、まず空間依存性を無視し時間依存性のみに注目した系でボソンとフェルミオン
が共存する理論が原理的に満たすべき条件を指摘し、その条件を満たす理論の具体例を示した(論文10)。本研究は早稲田大学の木村蘭平氏、東京工業大学の山口昌英氏と共同で行われた。
9. 曲率に上限のある f(R) 重力理論のダイナミクス（榊原）
宇宙はインフレーション以降、常に膨張を続けていると考えられている。インフレーショ
ン以前も膨張していたとすると、宇宙は1点から始まったという解釈になる。しかし、時間を過去へ遡っていったとき、1点に潰れた時点で重力の強さを表す曲率は無限大となり、現在知られている理論が記述する物理法則は破綻してしまう。宇宙が始まった後ある時点
から現在を記述することができるが、それ以前は理解できないという理論の欠点を回避するために、しばしば曲率が最大値を持ち、それ以上大きくならない重力理論が考えられてきた。これまで曲率が最大値を持ついくつかのモデルについて解析が行われてきたが、モデルを具体的に仮定せずに曲率が最大値を持つ理論の普遍的な性質を明らかにし、一般相対論に代わる重力理論となりうるかを理解することが目標である。我々は、曲率が最大値を持つ理論において真空解を考え、インフレーションを引き起こす物質がなくてもインフレーションが実現し、続いて現在の加速膨張が起こる解が普遍的に存在することを明らかにした。本研究は、大阪市立大学の石原秀樹氏、University of Udine, ItalyのStefano Ansoldi
氏、Ben-Gurion University of the Negev, IsraelのEduardo I. Guendelman氏と共同で行われた。
10. 等方な非一様性が非等方非一様摂動に与える影響（根岸）
現代宇宙論の標準モデルでは一般相対性理論が宇宙に適用できることと宇宙は巨視的に見て一様等方であることを作業仮説として採用している。宇宙の等方性は宇宙背景放射の観測から示唆されているが、巨視的に見た場合の宇宙の一様性は観測的に確かめられておらず、非常に大きなスケールの等方な非一様性が我々の宇宙に存在する可能性がある。等方な非一様性の制限に関する先行研究では宇宙の大規模構造や宇宙背景放射と関係する観測量の一部しか使われていなかった。その理由はこれらの観測量を理論予言するためには摂動論を用いるのが非常に有効であるが、等方な非一様性の影響を受けた非等
方非一様摂動の解析が難しいためである。2017 年度の研究では等方非一様時空に線形摂動を加えた時空中でアインシュタイン方程式を解くことにより重力波と時空の引きずりの振る舞いを調べた。結果として、重力波のエネルギーを計算することでどの程度の振幅の等方な非一様性が存在すれば LiteBird などの次世代宇宙背景放射観測計画で等方な非一様性と非等方非一様密度ゆらぎの相互作用から作られる重力波が観測可能かを明らかにした。また、時空の引きずりは時間発展すると成長することを明らかにした。	
 59

教育・研究業績
著書
該当無し

学術論文
1. A. Das, N. Maru and N. Okada, “Anomalous Higgs Yukawa Couplings and Recent LHC Data”,
arXiv: 1704.01353.
2. N. Maru, T. Miyaji, N. Okada and S. Okada, “Fermion Dark Matter in Gauge-Higgs Unification”,
JHEP1707 (2017) 048.
3. N. Maru, N. Okada and S. Okada, “Fermionic Minimal Dark Matter in 5D Gauge-Higgs
Unification”, Phys. Rev. D96 (2017) 115023.
4. N. Maru, N. Okada and S. Okada, “SU(2)L Doublet Vector Dark Matter from Gauge-Higgs
Unification”, arXiv: 1803.01274.
5. T. Harada, C-M. Yoo, K. Kohri and K. Nakao, “Spins of primodial black holes formed in thematter-dominated phase of the Unvierse”, Phys. Rev. D96 (2017) 083517.
6. K. Nakao, H. Okawa and K. Maeda, “Non-linear collisional Penrose process: How much energy
can a black hole release?”, PTEP 2018 (2018) 013E01.
7. K. Nakao, P.S. Joshi, J-Q. Guo, Prashant Kocharlakota, H. Tagoshi, T. Harada, M. Patil and A.
Krolak, “On the stability of a superspinar”, Phys. Lett. B780 (2018) 410.
8. Y. Akai and K. Nakao, “Non-linear stability of a brane wormhole”, Phys. Rev. D96 (2017)
024033.
9. R. Emparan, R. Luna, M. Martinez, R. Suzuki and K. Tanabe, “Phases and Stability of
Non-Uniform Black Strings”, JHEP 1805 (2018) 104.
10. R. Kimura, Y. Sakakihara and M. Yamaguchi, “Ghost free systems with coexisting bosons andfermions”, Phys. Rev. D96 (2017) 044015.

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：「Non-linea collisional Penrose process」&「On the stability of a superspinar,」, 3rdInternational Conference on Hot Topics of General Relativity and Gravitation, 2017年7月30日-8
月5日, ICISE, Quy Nhon, Vietnam.
2. 鈴木良拓：「Large D effective theory of general relativity」, JGRG27, 2017年11月27日-12月1日，東広島芸術文化ホールくらら.
3. 榊原由貴：「Dynamics in f(R) gravity with bounded curvature」, JGRG27, 2017年11月27日-12
月1日，東広島芸術文化ホールくらら.
4. 榊原由貴：「On fermionic ghosts and the removal from scalar-fermion systems」, Gravity andCosmology 2018, 2018年1月29日-3月9日，京都大学基礎物理学研究所.

国内学会・研究会講演
1. Arindam Das, 丸信人, 岡田宣親: 「Anomalous Higgs Yukawa Couplings and Recent LHC
Data」, 日本物理学会秋季大会, 2017年9月12日-15日, 宇都宮大学 峰キャンパス.
2. 丸信人, 宮地昴志, 岡田宣親, 岡田里見: 「Fermion Dark Matter in Gauge-Higgs Unification」,
日本物理学会秋季大会, 2017年9月12日-15日, 宇都宮大学 峰キャンパス.

60

3.

丸信人, 岡田宣親, 岡田里見: 「Minimal Dark Matter in Gauge-Higgs Unification」, 日本物理学会第73回年次大会, 2018年3月22日-25日, 東京理科大学 野田キャンパス.
4. 中尾憲一，Pankaj S. Joshi，Prashant Kocharlakota，Jun-Qi Guo，田越秀行，原田知広，Mandar
Patil，Andrzej Krolak：「On the stability of a superspinar」，日本物理学会秋季大会，2017
年9月12日— 15日，宇都宮大学 峰キャンパス.
5. 原田知広，柳哲文，郡和範，中尾憲一：「物質優勢期における原始ブラックホール形成における角運動量の効果」，日本物理学会秋季大会，2017年9月12日— 15日，宇都宮大学
峰キャンパス.
6. 中尾憲一，大川博督，前田恵一：「非線形衝突ペンローズ過程によるエネルギー引き抜きの効率について」，日本物理学会秋季大会，2017年9月12日— 15日，宇都宮大学 峰キャンパス.
7. 中尾憲一，内潟那美：「Implosion induced by explosion」，日本物理学会第73回年次大会, 2018
年3月22日-25日, 東京理科大学 野田キャンパス.
8. 中尾憲一：「On stability of superspinar」，Workshop on Black Holes and Strong Gravity Universe，
2017年9月21日，近畿大学 東大阪キャンパス．
9. 中尾憲一：「Non-linear collisional Penrose process」，Workshop on Gravitational Dynamics andBlack Holes，2017年9月26日− 27日，名古屋大学 東山キャンパス．
10. 鈴木良拓，Roberto Emparan，泉圭介，田邊健太郎：「高次元極限におけるブラックホー
ルの有効理論的解析」，日本物理学会秋季大会，2017年9月12日— 15日，宇都宮大学 峰キャンパス.
11. 鈴木良拓，Roberto Emparan，Raimon Luna，Marina Martinez：「高次元近似を用いた非一様ブラックストリングの動的および熱力学的安定性」，日本物理学会第73回年次大会,
2018年3月22日-25日, 東京理科大学 野田キャンパス.
12. 鈴木良拓：「高次元近似による非一様ブラックストリングの研究」，第19回特異点研究会，2017年12月28日− 30日，大阪市立大学 杉本キャンパス．
13. 木村蘭平，榊原由貴，山口昌英：「ボゾン− フェルミオン微分相互作用の構成法について」，日本物理学会秋季大会，2017年9月12日— 15日，宇都宮大学 峰キャンパス.
14. 根岸宏行：「等方非一様宇宙モデル中での摂動論」，日本物理学会第73回年次大会, 2018
年3月22日− 25日, 東京理科大学 野田キャンパス.
15. 根岸宏行：「等方非一様宇宙モデル中での線形摂動論」，第19回特異点研究会，2017年
12月28日− 30日，大阪市立大学 杉本キャンパス．

その他【一般講演】	
 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, 2017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, 2016/6/12, 19, 26,
大阪市教育会館にて３週連続講義．
3. 丸信人：「素粒子標準模型を超える物理模型構築」, 関西地域セミナー2017,2017年7月8日, 大阪市立大学にて講演.
4. 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, 2017年7月15日,
ポートメッセなごやにて講演.
5. 丸信人：「素粒子の質量生成の謎に迫るヒッグス粒子」, 天王寺高校にて出張講義.
6. 丸信人：「素粒子の質量生成の謎に迫るヒッグス粒子」, 日本物理学会大阪支部 公開シンポジウム「量子力学90年」, 大阪大学中之島センター佐治敬三メモリアルホールにて講
演.
	
 

61

【セミナー講演】	
 7. 中尾憲一：「On the stability of a superspinar」, QG研セミナー，2017年5月15日, 名古屋大
学．
8. 鈴木良拓：「高次元極限におけるブラックホールダイナミクスの有効理論」, 多元数理物理学セミナー，2017年6月15日，名古屋大学
9. 鈴木良拓：「高次元極限におけるブラックホールダイナミクスの有効理論」, Cosmology
Group Seminar，2017年10月18日, 神戸大学．
10. 榊原由貴：「フェルミオンに特有のゴーストとその除去」，理論物理学コロキウム，2017
年10月17日，立教大学．
11. 榊原由貴：「Toward the construction of derivative interactions with fermionic degrees of
freedom」，Cosmology Group Seminar，2017年7月19日, 神戸大学．
12. 根岸宏行：「非一様等方宇宙モデル中で密度揺らぎから作られる重力波」，理論物理学
コロキウム，2017年7月14日，立教大学．

学位論文
修士論文
該当なし

博士論文
該当無し

研究助成金取得状況
1.

丸信人: 日本学術振興会科学研究費補助金・基盤(C)「ゲージ・ヒッグス統一模型からの宇宙物理への予言とプランクスケール物理への拡張」直接経費80万円, 間接経費24万円

海外出張および海外研修
1.

中尾憲一：The International Center of Interdisciplinary Science Education (ICISE), Quy Nhon, Vietnam,
2017年7月30日− 8月6日，3rd international conference on	 Hot Topics in General Relativity andGravitation にて成果発表

外国人研究者招聘
1. Maximilian Thaller (Department for Mathematics at Chalmers University of Technology in
Gothenburg, Sweden): 2017年8月8日セミナー “On Static Solutions of the Einstein-Vlasov
System”

その他
1.
	
 

中尾憲一：日本物理学会代議員	
 62

数理物理研究室
糸山 浩司 (教授)大田 武志 (研究員)
清重 一輝 (M2)古川 友寛 (M1)
廣瀬 拓哉 (B4)森山 翔文 (准教授)関 穣慶 (研究員)
石橋 啓一 (M1)矢野 勝也 (M1)
村手 奎太 (B4)

二宮 正夫 (研究員)
吉岡 礼治 (研究員)中島 爽太 (M1)鈴木 光世 (B4)

研究概要
1. 楕円量子代数と超対称ゲージ理論 (糸山, 大田, 吉岡)
ある種の 2 次元場の理論と 5 次元超対称ゲージ理論の間には対応があることが知られている. この 2 次元/5 次元対応において, 楕円代数がダイナミカルな対称性として重要な役割を果たすことを議論した. この 2 次元/5 次元対応は, ベキ根極限極限を考えることにより, パラ Virasoro 対称性をもつ 2 次元コセット共形場理論と A 型 ALE 空間上の 4 次元ゲージ理論の間の対応に帰着する.
2. Rainbow tensor 模型（糸山）
前年度に引き続き、糸山・Mironov・Morozov によって導入されたこの tensor 模型を更に考察した．ゲージ不変な演算子の enumeration を行い，Level 5 までの cut and join operator
ring の構造を決めた．
3. Rainbow tensor 模型に於ける W 無限大構造（糸山，吉岡）
糸山・Mironov・Morozov による上記の進展を踏まえて，cut 演算を W 無限大対称性を用いて更に統一的に扱う方法を考案した．
4. ゲージ理論の分配関数と離散パンルベ方程式（糸山，大田，矢野）
Log potential をもつ unitary 行列模型が Irregular conformal block の積分表示となっていることを示し，2d-4d connection の実現により Nf=2, SU(2) ゲージ理論の分配関数が PII 方
程式の離散型に従うことを示した．この double scaling limit では PII が得られ，Argyres −Douglas point を実現している．
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，ランク変形をしたときの分配関数のインスタントン効果を調べた．その結果，BPS 指数という BPS 状態を数える正の整数により記述され，複数の異なるランク変形に対応して，正の整数は異なる組に分解される
ことがわかった．本研究は韓国高等科学院の野坂朋生氏との共同研究である．
6. 超共形 Chern-Simons 理論のインスタントン効果の del Pezzo 幾何による解釈（森山，矢野）
BPS 指数は背後の del Pezzo 幾何を反映してワイル群の構造を持つ．本研究で，BPS 指数の正の整数の組による分解は，群の表現の分解に対応することを指摘した．この結果により，飛躍的に多くの超共形 Chern-Simons 理論のインスタントン効果の展開形が得られるようになった．本研究は韓国高等科学院の野坂朋生氏との共同研究である．
7. ABJM 理論における Jacobi-Trudi 恒等式（古川、森山）
本研究では，ABJM 理論において超対称性を半分保つウィルソンループ演算子の真空期待値（一点関数）が Jacobi-Trudi 恒等式を満たすことを証明した．本研究は ABJM 行列模型の背後に可積分性の対称性が作用していることを強く示唆する．
8. ABJM 行列模型における二点関数（森山）ABJM 理論の超対称一点関数の発展を受けて，行列模型で自然な二点関数を定義し，詳しく解析した．本研究より，それまで一点関数で知られていた様々な恒等式がより高い見地から統合され，さらに多くの新しい恒等式を発見することが出来た．本研究は京都大学基礎物理学研究所の久保尚敬氏との共同研究である．

63

9. 散乱粒子のエンタングルメント・エントロピー（関）弾性散乱後の２粒子のエンタングルメント・エントロピーについて、S 行列を用いて解析した。また、特に、陽子-陽子散乱については、Tevatron や LHC による実験結果から、このエンタングルメント・エントロピーを評価することを試みた。本研究は CEA-Saclay（フランス）の Robi Peschanski 氏との共同研究である。

教育・研究業績
著書
1. 糸山 浩司：
「波動と場の物理学入門」（京都大学学術出版会、2017 年）

学術論文
1. S. Moriyama, S. Nakayama and T. Nosaka, “Instanton Eﬀects in Rank Deformed Superconformal Chern-Simons Theories from Topological Strings,” JHEP 1708, 003 (2017)
doi:10.1007/JHEP08(2017)003 [arXiv:1704.04358 [hep-th]].
2. H. Itoyama, A. Mironov and A. Morozov, “Ward identities and combinatorics of rainbow
tensor models,” JHEP 1706, 115 (2017) doi:10.1007/JHEP06(2017)115 [arXiv:1704.08648[hep-th]].
3. H. Itoyama, T. Oota and R. Yoshioka, “Elliptic algebra, Frenkel-Kac construction androot of unity limit,” J. Phys. A 50, no. 36, 365401 (2017) doi:10.1088/1751-8121/aa8233[arXiv:1705.03628 [hep-th]].
4. S. Moriyama, T. Nosaka and K. Yano, “Superconformal Chern-Simons Theories from delPezzo Geometries,” JHEP 1711, 089 (2017) doi:10.1007/JHEP11(2017)089 [arXiv:1707.02420[hep-th]].
5. H. Itoyama, A. Mironov and A. Morozov, “Cut and join operator ring in tensor models,”
Nucl. Phys. B 932, 52 (2018) doi:10.1016/j.nuclphysb.2018.05.007 [arXiv:1710.10027 [hepth]].
6. T. Furukawa and S. Moriyama, “Jacobi-Trudi Identity in Super Chern-Simons Matrix
Model,” SIGMA 14, 049 (2018) doi:10.3842/SIGMA.2018.049 [arXiv:1711.04893 [hep-th]].
7. N. Kubo and S. Moriyama, “Two-Point Functions in ABJM Matrix Model,” JHEP 1805,
181 (2018) doi:10.1007/JHEP05(2018)181 [arXiv:1803.07161 [hep-th]].

国際会議講演
1. H.Itoyama, Extreme Melonic dominance in rainbow tensor model , delivered at Lebedev
institute, Moscow, June 6, 2017
2. H.Itoyama, Combinatorial structure of rainbow tensor model , delivered at the workshop
duality, integrability and matrix model , Lebedev institute, Moscow, August 25, 2017.
3. H.Itoyama, Cut and Join operator ring in Aristotelian tensor model , delivered at East
Asian symposium on quantum field theory and string theory, KEK, November 14, 2017.
4. Sanefumi Moriyama, “Superconformal Chern-Simons Theories from del Pezzo Geometries”, Yukawa Institute Workshop “Strings and Fields”, Kyoto University, 2017/08/072017/08/11.
5. Sanefumi Moriyama, “M-Theory & ABJM Matrix Model”, Mini Symposium “Recent Developments in Mathematical Physics”, Osaka Prefecture University, 2017/09/08.

64

6. Takeshi Oota, “Elliptic algebra at root of unity limit,” Institute for Information Transmission Problems (Kharkevich Institute), Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia,
Workshop and School ”Topological Field Theories, String theory and Matrix Models”,
2017 年 8 月 26 日 (土).
7. Shigenori Seki, “Entanglement Entropy of Scattering Particles , 14th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (ICCMSE 2018), The MET
Hotel, Thessaloniki, Greece, 2018/03/15.

学会・研究会講演
1. H. Itoyama, Cut and Join operator ring in Aristotelian tensor model , seminar deliveredat Yukawa institute of theoretical physics, November 10, 2017,
2. H. Itoyama, Cut and Join operator ring in Aristotelian tensor model , talk given atannual JPS meeting, March 22, 2018.
3. H. Itoyama, Cut and Join operator ring in Aristotelian tensor model , seminar deliveredat Nagoya University, working seminar of Japan-Russia bilateral collaboation, December
9, 2017,
4. 森山翔文, “超群不変な Chern-Simons 測度の数理”, 可積分セミナー, 神戸大学, 2017/04/27.
5. 森山翔文, “超群不変な Chern-Simons 測度の数理”, 名古屋小研究会, 名古屋大学, 2017/05/172017/05/19.
6. 森山翔文, “超群不変な Chern-Simons 測度の数理”, 多弦セミナー, 名古屋大学, 2017/06/08.
7. 森山翔文, “統一理論への夢”, 素粒子原子核関西地域セミナー, 大阪市立大学, 2017/07/08.
8. Sanefumi Moriyama, “Jacobi-Trudi Identity in ABJM Matrix Model”, National Taiwan
University, 2018/01/12.
9. Robi Peschanski, 関 穣慶 ∗ , “Eﬀective Size of Particle from Entanglement Entropy in
Scattering , 日本物理学会第 73 回年次大会, 東京理科大学, 2018/03/25. (登壇者 ∗ )10. 吉岡礼治, “q-Virasoro algebra and elliptic algebra at root of unity”, 基研セミナー, 京大基研, 2017/06/06.
11. 矢野勝也 ∗ , 糸山浩司, “Multi-log 型行列模型の colliding limit と拡大有効プレポテンシャル”,
第 73 回年次大会 (2018 年), 東京理科大学, 2018/03/22-2018/03/25. （登壇者 ∗ ，以下同様．
）
12. 古川友寛 ∗ , 森山翔文, “ABJM 行列模型における Jacobi-Trudi 恒等式”, 第 73 回年次大会(2018 年), 東京理科大学, 2018/03/22-2018/03/25.
13. 久保尚敬 ∗ , 森山翔文, “ABJM 模型における二点関数の解析”, 第 73 回年次大会 (2018 年),
東京理科大学, 2018/03/22-2018/03/25.

学位論文
修士論文
1. 清重一輝：「4 次元 N=2 超共形場理論における Schur 演算子間の Fusion Rule の厳密決定」

65

研究助成金取得状況
1. 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」，2014 年
度-2017 年度．
2. 大田武志 (代表)・糸山浩司・吉岡礼治 (分担）
：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」，2015 年度-2017 年度．
3. 関 穣慶：学術振興会・基盤研究（C）17K05421 「量子エンタングルメントに関する S 行列
理論と弦理論の研究」, 2017 年度-2019 年度.

海外出張および海外研修
1. H. Itoyama, Lebedev Institute of Physics and Institute for Information Transmission Problems (Kharkevich Institute), Moscow, Russia, 2017.8.20-28
2. T. Oota, Lebedev Institute of Physics and Institute for Information Transmission Problems(Kharkevich Institute), Moscow, Russia, 2017.8.20-28
3. Sanefumi Moriyama, National Taiwan University 2018/01/10-2018/01/13.
4. Shigenori Seki, Institut de Physique Théorique, CEA-Saclay, France, 2017/08/15-2017/09/17.
5. Shigenori Seki, ICCMSE, Thessaloniki, Greece, 2018/03/13-2018/03/19.

その他
1. 糸山 浩司：大阪市立大学教育後援会顕彰平成 29 年度「優秀テキスト賞」受賞
2. 糸山 浩司：学振２国間交流事業（ロシアとの共同研究：代表 菅野浩明）メンバー
3. 糸山 浩司 Workshop and School Topological Field Theories, String theory and Matrix
Models 2017 2017, August 21 - August 26 を共催
4. 関 穣慶：海外研究者 Robi Peschanski（CEA-Saclay, France）招聘, 2018/03/19-2018/03/31.

66

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)
松野 研(数研研究員)
小川 達也 (D3)松野 皐 (M2)
穴瀬 信 (M2)高橋 一麻 (M2)
安積 伸幸(M1)
中井 悠二(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． 2017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（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で記述される．この紐を余等質１の紐という．
本年度は，最大対称時空において，可能なすべての余等質１の紐の方程式が可積分であることを証明した．また，一般に，時空が与えられたとき，可能なすべての余等質１の紐が可積分であるとき，余等質１可積分という概念を導入した．AdS5 x Tpq 時空のように，測地線が可積分な時空でも，余等質１可積分でない例も存在し，この概念は，時空の詳細な対称性を区別する可能性がある．
(2) Kerr 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，ブラックホール
地平面を紐が突き刺さる場合を解析した．剛体回転する余等質１の紐がブラックホール地
平面に刺さる場合，紐を通してエネルギーと角運動量の輸送が起こるが，それがブラック
ホールの面積増大則と矛盾しない場合に限って刺さることを明らかにした．これゆえに，
剛体回転する余等質１の紐は両端がブラックホール地平面に刺さることはありえないことがわかる．
2. ２つのスカラー場とゲージ場の系の非トポロジーソリトン（小川，石原）
2つの複素スカラー場とゲージ場からなる局所的なU(1)対称性が自発的に破れているようなモデルを解析した．スカラー場間に相互作用があるとき，この系にはエネルギー密度が局在する古典解である非トポロジーソリトン解が存在することを数値計算によって示した．この解は一つのスカラー場が作る電荷を他のスカラー場が遮蔽するような構造になっており，宇宙の暗黒物質の候補として期待される．
3. AdS 時空に沈めこまれたブラックホール （松野皐，石原）
AdS時空には幾何学的対称性を表す多くのKillingベクトルが存在する．Killingベクトルを１つ選ぶと，それに沿ったRiemann沈めこみ（射影）が定義でき，自然な計量（射影計量）が導入できる．
ローレンツブーストと空間回転を組み合わせたKillingベクトルを選び，そのノルムで重みを付けた射影計量を考えると，その時空の大域的構造はブラックホール
構造をもつ．具体的に，3次元AdS時空において可能なすべてのKillingベクトルに対して
沈めこまれた部分空間を考えその上に重み付き射影計量を考えたとき，現れ得るブラック
ホール構造を解析し，新しい大域構造を見出した．

67

4. Kerr ブラックホールの周りの光の束縛軌道（穴瀬，石原）
Kerr ブラックホールの周りのヌル測地線を Carter定数を用いて解析すると，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る．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．Kerrブラックホールには光線束の断面のひずみがゼロになるような主ヌルベクトルが存在する．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束縛軌道の接ベク
トルは主ヌルベクトルに漸近するため，光線束のひずみを生成するWeyl曲率がゼロになる
ことがわかる．そのため，第1のタイプは，ブラックホールを周回する光線束で断面積が増大しないことがわかった．これは，ブラックホールを周回する光が暗くならないことを意味し，観測可能性を示唆する．
4. 曲率に上限のある重力理論における宇宙モデル（S. Ansoldi (U.Udine)，榊原（素粒子），
石原）
特殊相対論における速度合成則は，速度が小さいときは線型加法的であるが，光速に近づくと加法的でなくなる．
一般相対論のラグランジアンは1次のスカラー曲率からなるが，曲率が大きくなるとスカラー曲率の非線形関数である可能性がある．速度合成則に光速の上限があるように，重力のラグランジアンも上限があるモデルを考える．
このような重力理論では，ラグランジアンの詳細によらず， 一様等方宇宙を表す
Robertson-Walker計量に対して，解の安定／不安定固定点，および鞍点が現れる．また，宇宙が収縮期から膨張期に転ずることが可能で，そのための通過点が現れる．これらの点が出現する条件を解析した．
5. プラズマ中の円筒対称／球対称非線形密度波による荷電粒子の加速（松野研（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．これを円筒対称，および球対称系に拡張すると，時間とともに，半径が縮み，密度振幅が半径の逆べき則に従って大きくなるような波動解が存在する．この解は，電場を伴い，その電場ポテンシャルによって荷電粒子を閉じ込めることができる．閉じ込められた荷電粒子は運動するポテンシャル壁によって反射され，エネルギーを得る．加速された粒子は，運動エネルギーがポテンシャルを上回ると，高エネルギー粒子として遠方に飛び出す．この電場ポテンシャルを薄い殻としてモデル化し加速粒子のスペクトルがエネルギーの逆べき則に従うことを示した．

＜流体・プラズマ物理分野＞
1. HALL MHD方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解（浜端）
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．軸対称性を持つ厳密解は特別な場合であるが見出されており，helical 対称性を持
つ解についても見出すべく検討中である．
2. Firehose不安定の非線形発展（浜端）
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

68

値解析を CGL 方程式に基づいて行いつつある．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 ， 中 井 ）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．解析の結果，MHD の枠組みではでは現れない新たな不安定モードが見出されている．更に詳細な解析については検討中である．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.
“Uniqueness of static photon surfaces: Perturbative approach”
Hirotaka Yoshino.
Phys.Rev. D95 (2017) no.4, 044047
2.
“Area bound for a surface in a strong gravity region”
Tetsuya Shiromizu (Nagoya U.), Yoshimune Tomikawa (Nagoya U.), Keisuke Izumi (NagoyaU.), Hirotaka Yoshino
PTEP 2017 (2017) no.3, 033E01
3.
“Extension of photon surfaces and their area: Static and stationary spacetimes”
Hirotaka Yoshino (Osaka City U.), Keisuke Izumi, Tetsuya Shiromizu (Nagoya U.),
Yoshimune Tomikawa (Matsuyama U.)
PTEP 2017 (2017) no.6, 063E01
4.
”Cohomogeneity-one-string integrability of spacetimes”
Yoshiyuki Morisawa, Soichi Hasegawa, Tatsuhiko Koike (Keio U.), Hideki Ishihara,e-Print: arXiv:1709.07659 [hep-th]
5.
“Rigidly Rotating String Sticking in a Kerr Black Hole”
Takahisa Igata (Rikkyo U.), Hideki Ishihara, Masataka Tsuchiya, Chul-Moon Yoo (NagoyaU.). e-Print: arXiv:1806.09837 [gr-qc]. Phys. Rev.D. in press.

国際会議発表1. Tatsuya Ogawa, Hideki Ishihara,“Charge screened non-topological soliton”
The 27th JGRG Workshop, 11/27-12/1 2017, Hiroshima University,
学会・研究会講演
1. 小川達也, 石原秀樹
“Higgs cloud around a fermion in a symmeyry broken phase”
日本物理学会2017年秋季大会 （宇都宮大 9/12-9/15, 2017年)
2. 槌谷将隆, 柳哲文, 松村央, 石原秀樹, 伊形尚久
“Chaotic Motion of a Cohomogeneity-One String in Extremal Kerr Spacetime”
日本物理学会2017年秋季大会 （宇都宮大 9/12-9/15, 2017年)

69

3.

4.

5.

6.

7.

8.

吉野裕高, 小玉英雄
“アクシオン・ブラックホール系からの重力波放射”
日本物理学会2017年秋季大会 （宇都宮大 9/12-9/15, 2017年)
小川達也, 石原秀樹
“Charge screened non-topological soliton”
第19回特異点研究会 （大阪市立大 12/28-12/30, 2017年）
石原秀樹“重力場中の光渦の軌道”
日本物理学会 第73回年次大会 （東京理科大 3/22-3/25, 2018年）
柳哲文, 伊形尚久, 石原秀樹, 槌谷将隆
“Rigidly Rotating Co-homogeneity-1 Strings in the Kerr Spacetime”
日本物理学会 第73回年次大会 （東京理科大 3/22-3/25, 2018年）
槌谷将隆, 柳哲文, 石原秀樹, 伊形尚久
“極限Kerr時空内の余等質1弦のカオス”
日本物理学会 第73回年次大会 （東京理科大 3/22-3/25, 2018年）
松野研(大阪物療大), 石原秀樹, 高橋真聡(愛知教育大)“プラズマ中の密度波ソリトンにより加速される荷電粒子のエネルギースペクトル”
日本物理学会 第73回年次大会 （東京理科大 3/22-3/25, 2018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」

70

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

加納弘喬 (M1)
豊山日向 (M1)
水野陽
(UG4)
児玉有
(UG4)
大垣内宇宙 (UG4)

緒方一介(客員教授)
櫻木弘之(理事兼副学長)

研究概要
1. ソリトン模型におけるゼロモードと場のゆらぎの結合について（加納、有馬）
ソリトン模型によると、ハドロンとその相互作用を表す自由度は二つある。一つは、ソリトンとしてバリオンのスピン・アイソスピンを表すゼロモードであり、もう一つは、バリオンと相互作用をする中間子を表す場のゆらぎである。ゼロモードと場のゆらぎは互いに直交する自由度ではなく、相互作用を通じて情報のやり取りをする。本研究では、
二つの自由度が同時に関わる相互作用ハミルトニアンをスキルム模型の考え方により導出し、バリオンの静的な性質のみならず、バリオンと中間子の相互作用への関わり方について考察をしている。今年度は、相互作用ハミルトニアンの具体的な計算を行った。
2. SU(3) スキルム模型における古典解の考察（豊山、有馬）
ハドロン研究の基礎となるカイラル対称性は、元来SU(3)対称性に基づいている。スキ
ルム模型をSU(3)に拡張するにあたり、SU(2)でHedgehog配位をとるpion場を、そのまま
SU(3)空間に埋め込む方法が一般的である。しかし、SU(3)に拡張するとpion場とは別のeta
場もあらわれるのだが、このことについて言及したものはほとんどない。そこで、本研
究ではeta場に対する古典解の存在について考察をした。そして、pion場に対しては古典的なソリトン解の存在が示せるが、eta場に対しては、ソリトン解のようなものは存在できないことを示すことができた。
3. 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。一般化されたThoulessの定理を拡張し、状態ベクトルのユニタリ-変換演算子に準粒子１p―１h項を導入することが、断熱展開の高次項を導入することと等価であることを証明した(論文2)。
4. 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)
近年、我々は従来の原子核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、これまでの密度汎関数では再現が困難だったT=1アイソスピン3重項とT=1/2アイソスピン2重項の原子核の質量の実験値の再現に成功した (論文1)。

71

5.

集団模型に基づく遷移密度計算(佐藤、緒方、櫻木、菊地)
従来の原子核の反応計算には核変形の量子揺らぎの効果を含まない遷移密度が使われてきた。しかし、実際には原子核の形は量子効果によって揺らいでおり、その揺らぎによって反応が促進される可能性がある。これまで大振幅集団運動の微視的理論に基づく計算は、低励起状態の核構造計算、励起エネルギーと四重極遷移強度とモーメントの計算に限られてきた。ここでは、電磁遷移に限らない、より一般の核反応計算に応用する
ため、上述のASCC法に基づく変形量子揺らぎの効果を含んだ遷移密度の計算の定式化とテスト計算を行った。

6.

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。

7.

9

8.

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による光分解で9Beから放出される崩壊中性子の方位角分布を理論計算によって調べ、方位角分布の形状が9Beの共鳴状態が存在する領域で特徴的な構造を示すことを示唆した。

9.

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。

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9Beの第一励起状態の構造が仮想状態か共鳴状態かを議論するために、それらの構造が観測量から議論できるかを簡単な理論模型によって調べた。

教育・研究業績
学術論文
1. P. Baczyk, J. Dobaczewski, M. Konieczka, W. Satula, T. Nakatsukasa, K. Sato :"Isospin-symmetry breaking in masses of N～Z nuclei", Phys. Lett. B 778, pp.178-183 (2018).
2. K. Sato : “Relation of a†a terms to higher-order terms in the adiabatic expansion forlarge-amplitude collective motion, Prog. Theor. Exp. Phys., 2017, no. 12, pp. 123D03-1 123D03-18 (2017).

72

3.

M. Odsuren, Y. Kikuchi, T. Myo, G. Khuukhenkhuu, H. Maui, and K. Katō,“Virtual-state character of the two-body system in the complex scaling method”,
Physical Review C95, 064305 (2017).
4. 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 and channel coupling effects via 12C + 12C scattering at
100A MeV”,
Physical Review C 95, 044616 (2017).
5. Y. Chazono, K. Yoshida, and K. Ogata"Examination of the adiabatic approximation for (d,p) reations ",Physical Review C 95, 064608 (2017).
6. T. Wakasa, K. Ogata, and T. Noro
"Proton-induced knockout reactions with polarized and unpolarized beams"
Progress in Particle and Nuclear Physics 96, 32 (2017).
7. K. Minomo, M. Kohno, K. Yoshida, and K. Ogata ,"Probing three-nucleon-force effects via (p,2p) reactions",
Physical Review C 96, 024609 (2017).
8. L. Olivier、K. Ogata et al.,"Persistence of the Z = 28 shell gap around 78Ni: first spectroscopy of 79Cu"
Physical Review Letters 119, 192501 (2017).
9. Shoichiro Kawase、K. Ogata et al. ,"Exclusive quasi-free proton knockout from oxygen isotopes at intermediate energies"
Progress of Theoretical and Experimental Physics 2018 021D01 (2018).
10. K. Yoshida, M. Gómez-Ramos, K. Ogata, and A. M. Moro,"Benchmarking theoretical formalisms for (p,pn) reactions: the 15C(p,pn)14C case"
Physical Review C 97, 024608 (2018).

国際会議会議録
1. P. Baczyk, J. Dobaczewski, M. Konieczka, W. Satula, T. Nakatsukasa, K. Sato : “Mirror andTriplet Displacement Energies Within Nuclear DFT: Numerical Stability”, Proceddings of the
Zakopane Conference on Nuclear Physics “Extremes of the Nuclear Landscape”, Zakopane,
Poland, August 28-September 4, 2016, Acta Phys.Pol. B, vol. 48, pp. 259-264(2017).
2. S. Nakayama, H. Kouno, Y. Watanabe, O. Iwamoto, T. Ye, and K. Ogata"Development of a code system DEURACS for theoretical analysis and prediction of
deuteron-induced reactions", EPJ Web of Conferences 146, 12025(2017).
3. F. Minato, O. Iwamoto, K. Minomo, K. Ogata, N. Iwamoto, S. Kunieda, and N. Furutachi"Nuclear data evaluation of long-lived fission products: Microscopic vs. phenomenological
optical potentials", EPJ Web of Conferences 146, 12032 (2017).

国際会議講演1. K. Ogata, Direct reaction studies on exotic nuclear systems“International symposium on RI beam physics in the 21st century”,
10th anniversary of RIBF, Wako, Japan, December 4-5, 2017. (招待講演)
2. K. Ogata, “Description of proton-induced inclusive knockout reactions”
ECT* workshop on Recent advances and challenges in the description of nuclear reactions at thelimit of stability, Trento, Italy, March 5-9, 2018. (招待講演)

73

学会・研究会講演
1. K. Sato: “Relation of a†a terms to higher-order collective operators in adiabatic expansion forlarge-amplitude collective motion”, Third workshop on many- body correlations in microscopic
nuclear model, 2019年9月4-5日, 佐渡尖閣荘
2. 佐藤弘一：「Adiabatic SCC法における断熱展開の高次の演算子とa†a項」,
日本物理学会2017年秋季大会, 2017年9月12-15日, 宇都宮大学
3. 佐藤弘一：「断熱展開の高次項を含めた大振幅集団運動の慣性質量」,
日本物理学会第73回年次大会, 2018年3月22-25日、東京理科大学
4. 菊地右馬、「9Be の光分解反応と複素座標スケーリング法による崩壊モードの分析」、
RCNP 研究会「核子・ストレンジネス多体系におけるクラスター現象」、
大阪大学核物理研究センター、2017 年 8 月
5. 菊地右馬、「崩壊粒子の運動量分布から見る中性子過剰核の構造」、
RIBF 若手放談会：エキゾチック核物理の広がり、2017 年 7-8 月
6. 緒方一介、核変換研究に対する理論の取り組みの一断面
ImPACT-OEDO workshop 2017, 2017 年 7 月 13 日-14 日, 理研仁科センター.
7. 緒方一介、元素合成に関連した核反応理論研究のいくつかの話題
RIBF ULIC シンポジウム「X 線天体と元素合成を中心とする宇宙核物理研究会」,
2017 年 7 月 20 日-21 日, 理研仁科センター.
8. 緒方一介、模型空間における 3 体反応の理論
原子核三者若手 夏の学校 2017, 原子核パート講義, 2017 年 8 月 21 日-26 日,
国立オリンピック記念青少年総合センター.
9. 緒方一介、環境を包有する量子反応理論「初期宇宙における量子現象と原子核物理」研究会, 2018 年 1 月 5 日,
大阪大学核物理研究センター.
10. 緒方一介、CDCC の靱軟性がもたらすもの
九大研究会「これまでの原子核物理学の潮流と今後の展望」,
2018 年 3 月 16 日, 九州大学.
11. 緒方一介、環境を包有する量子反応理論
日本物理学会 第 73 回年次大会 シンポジウム「特異的天体環境における量子現象と元素合成」, 2018 年 3 月 22 日, 東京理科大学.

研究助成金取得状況
1. 菊地右馬：課題名「直線偏光ガンマ線で生成された中性子非対称性測定による新しいプローブ」基盤研究(B) 研究分担者(代表者：早川岳人)、2017年4月〜2018年3月 20万円
2. 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」（H29 年度分 70 万円）

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