物理学教室年次研究報告2007 年度

大阪市立大学 大学院理学研究科・理学部
物理学教室

目次
序 ......................................................................................................................................................1
2007 年度物理学教室談話会 ...........................................................................................................3

研究報告
物性物理学講座
超低温物理学研究室........................................................................................................................4
光物性物理学研究室 ......................................................................................................................11
生体・構造物性研究室 ..................................................................................................................14
素励起物理学研究室 ......................................................................................................................23

宇宙・高エネルギー物理学講座
宇宙線物理学研究室......................................................................................................................28
高エネルギー物理学研究室...........................................................................................................31
重力波実験物理学研究室 ..............................................................................................................37
宇宙・素粒子実験物理学研究室 ...................................................................................................43

基礎物理学講座
素粒子論研究室 .............................................................................................................................47
数理物理研究室..............................................................................................................................49
宇宙物理研究室..............................................................................................................................55
原子核理論研究室..........................................................................................................................63序大阪市立大学は２００６年４月に法人化され、新たな一歩を踏み出し、早くも二年半が経過しました。しかし、市大と物理教室を取り巻く状況は相変わらず非常に厳しいものがあります。この間、現場の教育・研究に携わる者として、法人化の恩恵を感じることはほとんど無いというのが、多くの方の実感でしょう。同時に大阪市の行財政改革に基づく定員削減は進み、２００８年４月現在の物理教室の教員は２５名です。定員削減
は今後も進行し、物理教室ではさらに数年は新規採用人事を行えない見込みです。一方、理学部改組が検討され、２００９年４月から物質科学科が学生募集を停止することになりました。これに対応し、物質科学科の物理系教員が物理学科に移ります。また、全国的視野で見ても、若年層の理科離れ・物理離れはますます深刻になっています。現在高校生の物理の履修率は十数パーセントに過ぎません。日本物理学会も重い腰を上げ、対策を講じようとしていますが、どの程度効果を上げられるかは不明です。
なぜこのようなことになってしまったのでしょうか？何が我々にできるでしょうか？たとえば、市大の定員削減は大阪市の財政危機によるもので、我々物理教室の構成員に直接的責任はありません。そのため、ともすれば環境の悪化を嘆くだけになりがちですが、それでは事態は好転しません。これには、物理という学問およびそれを取り巻く環境の、長期的・普遍的側面と、今日的側面を考える必要があります。
物理という学問が自然科学および技術の根幹を成すということは、国および大阪市の財政状態や日本の景気に関わらず、普遍的真理です。物理教育を軽視する国家は、その国力の衰退を招くということも間違いないところです。ですから我々物理の教員は、このような普遍的側面（我々にとって都合の良い側面）ばかりに目を向けて、我々が教育を受けた１９７０年代または８０年代と同様、自分の物理の研究と教育をしっかりやっていれば良いのだ、と安易な確認を行うだけで終わりがちです。しかし今日我々が直面する困難はそれでは克服できません。
今日の世界的な物理退潮の根幹には、「もはや社会が物理に多くを期待しなくなった」ということがあります。２０世紀、物理学は相対性理論と量子力学を構築し、文字通り
人類の知の最先端を切り開いたばかりでなく、核兵器の開発や、半導体に代表されるエ
レクトロニクス革命など、人類社会に甚大な影響を与える学問でした。しかし、今世紀、物理は前世紀のような大きな影響を社会に生み出すことはもう無いだろう、むしろ生物学の方が重要であろうと思われているのです。
生物学の重要性はさておき、物理学が本当に２１世紀の社会に大きな影響を及ぼすことが無いかどうかはわかりません。しかし、「社会がそう思っている」ことが重要なのです。そのような社会で教育を受けた次世代の若者は、物理学とはそのような学問と思って育ちます。若い世代にそのような印象を与えた学問が社会的に立ち直るのは容易ではありません。我々教員の世代は、まず物理とは凄い学問だという憧憬をもっていまし1

た。そして大学で本格的に物理を学ぶ過程で、それは強い確信に変わり、さらに物理に魅せられてゆきました。今の若年層にはこのようなプロセスが欠けているのです。
このような状況で我々にできることは、第一に、日常的に優れた研究と教育を実践す
ること、第二に、ともかくあらゆる機会をとらえて物理とその重要性を発信することしかありません。そして、それらを１個人の努力に任せるのではなく、組織として戦略的に行う必要があります。このような検討と実践は我が物理教室でも行われていますが、さらに押し進めるべきでしょう。このような過程で、研究および教育において、物理教室の特色ある部分・強い部分をより伸ばし、弱い部分の見直しまたは補強を行うことも必要になるでしょう。
今こうして、２００７年の年次報告を見ると、このような逆風にもかかわらず、我が物理教室は質量ともに優れた成果をあげていることがわかります。これは、我が物理教室の構成員（教員および院生）のレベルの高さと努力の結果です。しかし、現在のような逆風環境が続くとき、どれだけ高いモチベーションと活動度を維持できるかについては、私は強く危惧いたします。
このような中で唯一の朗報は、神田展行教授を代表とする学内重点研究「『アインシュタインの物理』でリンクする研究・教育拠点」が２００８年度から採択されたことです。これは、『アインシュタインの物理』をキーワードに、高エネルギー・宇宙物理から、物性物理まで、本物理教室の物理を有効に紡ぎ、将来的にグルーバル COE への申請を目指そうとする野心的な試みです。教室を挙げて本プロジェクトを発展させてゆく必要があります。
２００７年３月には、牲川章教授が定年退職されました。また、唐沢力教授が、法人理事（研究担当副学長）に就任されるため、理学部物理学教室を離れられました。お二人の長年にわたる研究・教育活動のご貢献に、深い敬意と感謝の念を捧げます。
最後に、本年度年次報告作成にご尽力された中尾憲一氏に感謝いたします。
２００８年９月
２００７年度物理学教室主任
坪田

2

誠

2007 年度物理学教室談話会
世話人：安井，山本，矢野
第１回：新入生歓迎談話会
日時：４月１３日（金）場所：学術情報センター10F 会議室
講師：橋本 秀樹氏（本学物性物理学講座 教授）
タイトル：太陽光エネルギーの有効利用に関する提言“光合成”をこの手に
第２回：年末研究発表会
日時：１２月２６日（水）場所：学術情報センター10F 会議室
第３回：最終講義
日時：２００８年３月７日（金）場所：学術情報センター10F 会議室
講師：牲川 章氏（本学基礎物理学講座 教授）
タイトル：素粒子論と私の来し方
講師：唐沢 力氏（本学物性物理学講座 教授）
タイトル：光物性と友に –出会いと別れ–3超低温物理学研究室
畑
徹
石川修六
矢野英雄
小原 顕

教 授
准教授
准教授
講 師

石黒亮輔(PD)後藤 塁(PD)
嘉戸隆介(D2)
永合祐輔(D1)

乾 昌弘(M2)
加藤千秋(M2)
三尾秀星(M2)
安達啓輔(M1)
千羽信裕(M1)
松倉高穂(M1)

研究概要
1. 超流動ヘリウム３中のエアロジェルの不純物効果
超低温度ではヘリウム以外の物質は固化し、また液体状態であるヘリウム４はヘリ
ウム３とは相分離するために、ヘリウム３に不純物を入れることができない。この結果、
超流動ヘリウム３の研究は超純粋物質（スーパークリーン物質）としての研究の場であった。エアロジェルは直径数ｎｍのシリカの紐が平均間隔数ｎｍから１００ｎｍの広い範囲で分布していて、体積に占めるシリカの割合は数％のものである。シリカの紐の直径は超流動ヘリウム3のコヒーレンス長より十分短く，またシリカの紐の平均間隔は超流動ヘリウム3のコヒーレンス長と同程度であるために、超流動性が完全に壊れることはな
く、純粋な系に入った僅かな不純物として振る舞う。
1-1. ＮＭＲ法によるエアロジェル中の超流動ヘリウム３の相転移現象の研究（石川、畑、嘉戸）
昨年度まで，空孔率97.5％エアロジェル（不純物２.５％）を用いて、核磁気共鳴法(NMR)により超流動相の秩序構造の同定と超流動状態の安定性について調べた。
超流動状態での２つの超流動相の共存状態が，試料セル内で大域的な相分離であることを明らかにした．これまで超流動ヘリウム３の中では、外部条件や欠陥に起因する均一ではない（不均一な）不安定相の核生成が起こることが示されてきた。今回の測定はそれらとは違う不安定相の核生成を示すものと考えている。特に相転移時の核生成が超流動ヘリウム３固有の欠陥を持たないtextureと関係することを示唆する。この相分離の原因がエアロジェル自身の僅かな欠陥・異方性であることが指摘されている．我々の結果がこのような異方性と関係あるかどうかを調べるために，光の偏光を利用した光学測定を同バッチのエアロジェルで行い，欠陥・異方性がないことを確認した．これは大域的な相分離が欠陥に起因す
る不均一な核生成ではなく，かつ均一な核生成でもないことを示すものである。。
1-2. 第４音波法によるエアロジェル中の超流動ヘリウム３の不純物効果（小原、石川、
永合、加藤）
超流動相転移温度以下で準粒子の平均自由行程が発散的に伸びる超流動ヘリウム
３を、エアロジェルという物質に閉じこめたらどうなるだろうか？ 我々が注目するのは特に超流動ヘリウム３の準粒子系のエアロジェル中での輸送現象である。
直流の流れに対してはエネルギー損失がないと考えられるが，交流の流れに対しては損失が発生する。この損失の測定から準粒子系の運動を調べるのである。交流の流れとして第４音波を用いている。第４音波は，粘性によって常流動成分の運動が抑制されるような狭い隙間を伝播する超流動成分のみの圧力波である。その音速からは超流動密度を求めることができる。理想的な第４音波は散逸を伴わないが、測定容器内の圧力勾配のために常流動成分が僅かに振動するならば，こ4

れが散逸の原因となると考えている。エアロジェルの存在のために，純粋系で重要である「粘性による散逸」が無くなり、「エアロジェルと準粒子との摩擦による散逸」が生ずる事を明らかにした。この摩擦緩和時間の温度依存性の解析から、準粒子は局在することなくエアロジェルと強く摩擦結合したまま、絶対零度においても有限の密度を残すことがわかった。エアロジェルがない純粋系では，準粒子は粘性を示すが、エアロジェル中ではあたかも正常金属中のDrude 電子のように振る舞っていることを示している。この研究は広島大学の理論グループとの共同研究である。
2.

振動流中における超流動ヘリウム量子渦のダイナミクスと乱流遷移
2.1 超流動ヘリウム４の量子乱流遷移（矢野、畑、後藤、永合、三尾、安達、千羽）
超流動の乱流（量子乱流）は、流体が作る乱流の中でもっともシンプルな構造を持つ。古典流体の流れに円柱を置くと、遅い流れの時は層流であるが、流れを速くしていくにつれて渦が発生し、乱流へと遷移していく。一方超流動の場合は、粘性のない流体の流れ（ポテンシャル流）からいきなり乱流へと遷移する。量子乱流の発見［Feynman 1955、Vinen 1957］から半世紀がたつが、これまで乱流の発生メカニズムは謎であった。超流動は粘性がないために通常の流れでは渦が発生せず、超流動相が壊れるランダウ速度付近（数十m/s）で初めて渦が発生する。
しかし物体を超流動中に置いて振動させると、渦発生速度より２桁遅い速度でも乱流に遷移する。このため、乱流の種となる渦（残留渦）が最初から存在し、遅い流れでも乱流を発生させていると考えられてきた。我々は、乱流研究の妨げになっている残留渦を除去することで、残留渦のない超流動を作ることに成功し、半世紀にわたる課題であった量子乱流遷移のメカニズム解明に迫ることができた。
極微細超伝導線（３μｍ）を超流動ヘリウム４中で振動させ、その応答を測定することにより、量子渦の運動と量子乱流遷移を調べた。得られた知見を以下に列挙する。
① ヘリウム４の超流動相転移に伴って量子渦が発生し、ワイヤとそのまわりの壁との間に橋渡しする渦となって残留する。② この橋渡しする残留渦がワイヤの振動で揺れ、渦に誘起されるケルビン波の不安定性により乱流遷移を引き起こす。
③ また、振動している残留渦のないワイヤに小さな渦リングをあてると、乱流へと遷移する。④ 素励起物理学研究室の坪田氏と藤山氏の協力のもと③の数値シミュレーションを行い、超流動中を振動する物体は渦リングによって乱流を生成することを確認した。⑤ 乱流からポテンシャル流に戻るワイヤ振動の臨界速度は、振動周波数の1/2乗に比例する。②と③は乱流遷移が起こるためには、乱流の種となる量子渦が必要であることを示している。また⑤は、振動周波数が低くなるに
つれて、遅い振動速度でも乱流（量子渦）を生成できることを示している。
2.2 超流動ヘリウム３‐Ｂ相の量子渦生成（矢野、畑、永合、乾、嘉戸）
超流動ヘリウム３‐Ｂ相中で物体を振動させると、振動で超流動が壊れるクーパー対の対破壊速度とほぼ同じ速度で量子渦が生成される。このため対破壊で生成される励起子（常流動）を起源として量子渦が発生すると考えられてきた。
一方、我々は超流動ヘリウム４では残留渦の不安定性による量子渦生成・乱流遷移を解明し、低周波の振動では渦の生成速度は下がることを明らかにした（⑤）。
同様のメカニズムは超流動ヘリウム３でも起こると予想される。我々は低周波の振動ワイヤを開発し、量子渦生成を調べた。以下に得られた知見を列挙する。⑥
超流動ヘリウム３‐Ｂ相において、これまで報告されていた対破壊による渦生成と、これとは異なる渦生成、すなわち対破壊速度より遅い速度で起こる渦生成を発見した。⑦ ⑤の乱流遷移と⑥の遅い速度で起こる渦生成の臨界速度は、ヘリウ

5ム３とヘリウム４のちがいに関わらず、 a !" （ a ：正の定数、 ! ：ヘリウム３もしくはヘリウム４の量子渦の循環量子、! ：振動周波数）に従う。⑥の結果は、クーパー対の対破壊以外の理由により量子渦が生成されることを示しており、残留渦の不安定性が引き金となる渦生成であることを示唆している。また⑦は、渦生成の振動速度が超流動の種類によらず量子渦の循環量子でスケールできることを示した初めての研究であり、量子渦の不安定性と乱流遷移を研究する上で興味深い結果である。
３．回転する超流動ヘリウム３の研究（物性研，京大，福井大，岡山大との共同研究）（石川）
東京大学物性研究所に相互協力により完成したサブmK温度域の超低温度回転クライ
オスタットを用いて量子流体力学に関する共同利用研究を行っている。最高回転速度は
１秒間に２回転である．
１本の細い円筒容器内（直径230µｍ）にある超流動ヘリウム３—Ａ相の量子渦の研究を核磁気共鳴法(ＮＭＲ)により行った。最高回転速度では４つの渦が侵入することを観測した。各渦が侵入する回転角速度は自由エネルギーから計算されたものと良い一致を示した。渦の侵入の様子を核磁気共鳴イメージング法により初めて捉えることに成功した。これらの渦は特異性を持たず，渦の運動は秩序変数の軌道部分の運動そのものである。スピンを通して軌道運動を明らかにすることができると考えている。低速回転時の渦は渦度１のMermin-Ho型のtextureであると考えていたが，高温-低速回転時に，それとは異なる振る舞いを観測した．理論研究者は渦構造の相転移が関係している可能性がある指摘しており，その通りならばM-H型に続いて２つ目の新しい渦構造の発見となる。
温度・回転による変化から渦構造を明らかにする実験を継続している。

４．寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原）昨年、本研究室に蓄積されている希釈冷凍機製作のノウハウをもとに、米国とほぼ同時期に日本で初めて寒剤を用いない希釈冷凍機の製作に成功した。本年では、実際の分析機器に搭載できるように以下の改良を行った。①空気などの不純ガス除去用として外部に設置した液体窒素トラップを希釈冷凍機内部に新たにトラップを設置することにより液体窒素も不要とした。②予備冷却用のパルス管冷凍機は冷凍機の中では最も振動の少ない構造となっているにもかかわらず、高感度、高精度の測定には振動を抑える必要があるため、パルス管冷凍機と希釈冷凍機本体間の接続をリジッドからフレキシブルに変換、圧縮機とパルス管冷凍機間のﾊﾟｲﾌﾟを鉄ブロックで固定した。③さらに冷凍能力アップのため希釈冷凍機本体の熱交換器と混合室を新たな設計のものに変換した。これ
らの改良後の冷凍能力テストはこれからだが、振動に関しては大幅に小さくすることに成功した。

教育・研究業績
学術 論文
1. N. Hashimoto, A. Handa, M. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Switching phenomena between laminar and turbulent flows of superfluid 4He generated by avibrating wire”, J. Low Temp. Phys., 148 (2007), 299–303.
2. R. Kado, H. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Phase transition ofsuperfluid 3He in aerogel”, J. Low Temp. Phys., 148 (2007), 585–589.
3. Y. Nago, K. Obara, R. Kado, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Fourth sound measurement ofsuperfluid 3He in aerogel”, J. Low Temp. Phys., 148 (2007), 597–601.
4. N. Hashimoto, R. Goto, H. Yano, K. Obara, O. Ishikawa, and T. Hata：“Control of turbulence inboundary layers of superfluid 4He by filtering out remanent vortices”, Phys. Rev. B 76 (2007),

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5.

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7.
8.
9.

020504(R)(1–4).
H. Nakagawa, R. Kado, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Equal–spin–pairingsuperfluid phase of 3He in an aerogel acting as an impurity”, Phys. Rev. B 76 (2007), 172504(1–4).
H. Yano, N. Hashimoto, R. Goto, K. Obara, O. Ishikawa, and T. Hata：“Instability of quantizedvortices attached to oscillating boundaries in superfluid 4He”, J. Low Temp. Phys., 150 (2008),
410–414.
R. Kado, H. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“A-B phase conversion
and coexistence of superfluid 3He in aerogel”, J. Low Temp. Phys., 150 (2008), 472–475.
Y. Nago, C. Kato, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Energy loss of fourth sound insuperfluid 3He within small pores”, J. Low Temp. Phys., 150 (2008), 476–481.
R. Goto, S. Fujiyama, H. Yano, Y. Nago, N. Hashimoto, K. Obara, O. Ishikawa, M. Tsubota, andT. Hata：“Turbulence in boundary flow of superfluid 4He triggered by free vortex rings”, Phys.
Rev. Lett. 100 (2008), 045301(1–4).

国際 会議 講 演
1. R. Ishiguro：“NMR Measurement of a quantized Vortex of Rotating Superfluid 3He-A in a Single
Narrow Cylinder” (talk) Superfluids Under Rotation Workshop Meeting (SUR2007), 15-19 April,
2007, Prima Kings Hotel, Jerusalem, Israel
2. K. Izumina：“NMR Study of Superfluid 3 He in Anisotropic Aerogel under Rotation” (talk)Superfluids Under Rotation Workshop Meeting (SUR2007), 15-19 April, 2007, Prima Kings
Hotel, Jerusalem, Israel
3. H. Yano：“Nonlinearity of Quantized Vortices Attached to Oscillating Boundaries in Superfluid
4He” (poster), International Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007, 1-6 August
2007, Kazan State University, Russia
4. R. Ishiguro：“Propagation of vortex of 3 He-A in the narrow cylinder” (poster), International
Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007, 1-6 August 2007, Kazan State University,
Russia5. K. Izumina：“High rotation speed measurements of 3 He-A” (poster), International Symposium on
Quantum Fluids and Solids – QFS2007, 1-6 August 2007, Kazan State University, Russia
6. R. Kado ：“A-B phase conversion and coexistence of superfluid 3He in aerogel” (poster),International Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007, 1-6 August 2007, Kazan
State University, Russia
7. Y. Nago ： “Energy loss of fourth sound in superfluid 3He within small pores” (poster),International Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007, 1-6 August 2007, Kazan
State University, Russia
8. H. Yano ： “Transition to turbulence triggered by free vortex rings” (talk), International
Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007, 1-6 August 2007, Kazan State University,
Russia9. H. Yano：“Transition to Turbulence in Alternating Boundary Flow of Superfluid 4He” (talk)International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials(PSM2007), 29 October - 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu, Japan
10. O. Ishikawa：“Coexisting of Two Phases of Superfluid 3He in Aerogel” (talk) International
Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials (PSM2007), 29 October- 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu, Japan
11. Y. Nago：“Quantum Turbulence in Boundary Flow of Superfluid 4 He Triggered by Free Vortex
Rings” (poster) International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean
Materials (PSM2007), 29 October - 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu,
Japan

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12. R. Goto：“Propagation of Vortex Rings Nucleated in Turbulent Layers of Superfluid 4 He” (poster)International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials(PSM2007), 29 October - 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu, Japan
13. S. Mio：“Critical Velocity of Quantum Turbulence in Alternating Current of Superfluid 4He”
(poster) International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials(PSM2007), 29 October - 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu, Japan
14. R. Ishiguro：“Observation of vortices in superfluid 3He-A in a single narrow cylinder under highspeed rotation” (poster) International Symposium on Physics of New Quantum Phases inSuperclean Materials (PSM2007), 29 October - 1 November 2007, Nagaragawa Convention
Center, Gifu, Japan
15. R. Kado：“A-B Phase Conversion and Coexistence of Superfluid 3He in Aerogel” (poster)International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials(PSM2007), 29 October - 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu, Japan
16. C. Kato：“Energy Loss of Fourth Sound in Aerogels : Porosity Dependence” (poster) International
Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials (PSM2007), 29 October- 1 November 2007, Nagaragawa Convention Center, Gifu, Japan
17. H. Yano：“Transition to Turbulence in Alternating Boundary Flow of Superfluid 4 He” (talk) The
2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, 14-16
December 2007, Campus Port OSAKA, Osaka, Japan
18. Y. Nago：“Quantum Turbulence in Boundary Flow of Superfluid 4He Triggered by Free Vortex
Rings” (poster) The 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent
Phenomena, 14-16 December 2007, Campus Port OSAKA, Osaka, Japan
19. R. Goto：“Propagation of Vortex Rings Nucleated in Turbulent Layers of Superfluid 4 He” (poster)The 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, 14-16
December 2007, Campus Port OSAKA, Osaka, Japan
20. S. Mio：“Critical Velocity of Quantum Turbulence in Alternating Current of Superfluid 4He”
(poster) The 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena,
14-16 December 2007, Campus Port OSAKA, Osaka, Japan
21. R. Kado：“A-B Phase Conversion and Coexistence of Superfluid 3He in Aerogel” (poster) The
2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, 14-16
December 2007, Campus Port OSAKA, Osaka, Japan
22. C. Kato：“Energy Loss of Fourth Sound in Aerogels : Porosity Dependence” (poster) The 2nd
International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, 14-16 December
2007, Campus Port OSAKA, Osaka, Japan
23. H. Yano：“Transition to turbulence in alternating boundary flow of superfluid 4He” (invited talk)
Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperatures, 28-30 March 2008,
Hotel Matinlahti, Espoo, Finland
24. Y. Nago ：“Study of transition to quantum turbulence triggered by vortex rings” (poster)Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperatures, 28-30 March 2008,
Hotel Matinlahti, Espoo, Finland
25. S. Mio：“Critical velocity of quantum turbulence in alternating currents of superfluid 4He”
(poster) Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperatures, 28-30 March
2008, Hotel Matinlahti, Espoo, Finland

学会 ・研 究 会講 演
1. 後藤塁：「超流動4He 乱流中に発生した量子渦リングの伝播」
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
Ａ０３＆Ａ０４研究項目合同ワークショップ２００７年７月１４〜１６日 高野山大学

82.

石黒亮輔：「超流動ヘリウム３Ａ相の一本の量子渦の成長と秩序変数の軌道状態の運動」
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
Ａ０３＆Ａ０４研究項目合同ワークショップ２００７年７月１４〜１６日 高野山大学
3. 石川修六：「エアロジェル中の3He」（シンポジウム「不均一超流動・超伝導の物理」）
日本物理学会 第６２回年次大会 ２００７年９月２１日〜２４日 北海道大学
4. 三尾秀星：「振動流による4 He量子乱流遷移の周波数変化（２）」日本物理学会 第６２回年次大会 ２００７年９月２１日〜２４日 北海道大学
5. 後藤塁：「Vibrating Wireによる超流動4He中のVortex ringの生成と検出Ⅱ」
日本物理学会 第６２回年次大会 ２００７年９月２１日〜２４日 北海道大学
6. 石黒亮輔：「回転によって駆動されるヘリウム３Ａ相の量子渦の運動」
日本物理学会 第６２回年次大会 ２００７年９月２１日〜２４日 北海道大学
7. 泉名健：「高速回転下における超流動ヘリウム３− Ａ相」日本物理学会 第６２回年次大会 ２００７年９月２１日〜２４日 北海道大学
8. 後藤塁：「超流動4He中の量子渦の生成と伝播」
日本物理学会 第６３回年次大会 ２００８年３月２２日〜２６日 近畿大学
9. 永合祐輔：「He–Ⅱにおける常流体の渦が引き起こす量子乱流」
日本物理学会 第６３回年次大会 ２００８年３月２２日〜２６日 近畿大学
10. 加藤千秋：「Aerogel中3 He超流動相における第４音波のエネルギー損失Ⅱ」
日本物理学会 第６３回年次大会 ２００８年３月２２日〜２６日 近畿大学
11. 石黒亮輔：「超流動ヘリウム３Ａ相の一本の量子渦のダイナミクス」
日本物理学会 第６３回年次大会 ２００８年３月２２日〜２６日 近畿大学
12. 泉名健：「円筒容器内の超流動ヘリウム３における織目構造の転移」
日本物理学会 第６３回年次大会 ２００８年３月２２日〜２６日 近畿大学

学位論文
修士 論文
1. 乾 昌弘：「Vibrating Wireを用いた超流動ヘリウム３‐Ｂ相中における付着量子渦による乱流遷移の観測」
2. 加藤千秋：「エアロジェル中超流動3Heにおける第４音波のエネルギーロス」
3. 三尾秀星：「振動流による量子乱流遷移の臨界速度の周波数依存性」

研究助成金取得状況
1. 畑 徹：受託研究：岩谷瓦斯株式会社「希釈冷凍機の開発」１００万円
2. 畑 徹：科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発事業：「大気浮遊粒子用傾向Ｘ
線分析装置の開発」２００７年度分１,０３３万円
3. 石川修六：特定領域研究「 スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理 」
計画研究「超流動ヘリウム３の異方的秩序変数とその制御」２００７年度分１,０４０万円
4. 石川修六：受託研究：株式会社神戸製鋼所「微小ソレノイドコイルを用いたNMRプローブの開発」
５８万３千円

海外出張および海外研修
1.
2.

石黒亮輔：Prima Kings Hotel, Jerusalem, Israel, 2007年４月ｘ日〜ｘ日, Superfluids Under
Rotation Workshop Meeting (SUR2007)に出席・発表
矢野英雄：Kazan State University, Kazan, Russia, 2007年７月31日〜８月９日, International
Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007に出席・発表

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4.
5.
6.

7.

石黒亮輔：Kazan State University, Kazan, Russia, 2007年７月31日〜８月９日, International
Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007に出席・発表
嘉戸隆介：Kazan State University, Kazan, Russia, 2007年７月31日〜８月９日, International
Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007に出席・発表
永合祐輔：Kazan State University, Kazan, Russia, 2007年７月31日〜８月９日, International
Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2007に出席・発表
矢野英雄：Hotel Matinlahti and Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 2008年３月
26日〜４月６日, Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperaturesに出
席・発表と、ヘルシンキ工科大学低温研究所においてセミナートーク・研究打ち合わせ
永合祐輔：Hotel Matinlahti and Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 2008年３月
26日〜４月６日, Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperaturesに出
席・発表と、ヘルシンキ工科大学低温研究所においてセミナートーク・研究打ち合わせ

その他

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光物性物理学研究室
唐沢 力 教授
鐘本勝一 講師

上岡周平 (B4)大河内 裕太 (B4)
尾形明彦 (B4)

薄井将吾 (M2)下田崇史 (M2)
樋口達也 (M2)宮崎 大 (B4)
安井基晃 (B4)

研究概要
1. 極低温顕微分光システムの構築と半導体量子点の光学特性（薄井、唐沢）
半導体量子点の顕微分光や、固体中の励起子伝播の様子を観測するため、4.2~Kの極低温でそれらを観測可能とする顕微分光システムの構築と、CdTe量子構造の励起子発光の顕微分光を行った。その結果、顕微分光の空間分解能は5µm以下であるが、その分解能以内でCdTe量子構造から均一な発光スペクトルが得られた。また、顕微発光のスペクト
ルが非顕微の通常発光スペクトルに比べてブルーシフトした結果が観測された。この結果により、顕微視野内に存在するエネルギーの低い量子ドットから、顕微視野外にあるサイズの大きいドットへのエネルギー移動が起こっていることを明らかにした (山梨大学との共同研究。)
2. π共役ポリマーMEH-PPVにおける励起子解離と電界発光（下田、鐘本）
π共役ポリマーは光励起のもとで強い発光(PL)が生じるが、電圧印加のもとでも発光が生じ(電界発光：EL)その応用性が注目されている。MEH-PPVを用いてELデバイスを試作し、実際にELを観測した。そのデバイス動作時においては、励起子に強い電界が作用していることが予想される。実際に、光励起下の発光の電界による変化を通して、強い電界の作用下において励起子が解離していることを明らかにした。また同時に、電圧印加の元では、電界の作用が起こると同時に、キャリアが多く生成していることによる、ス
クリーニングが起こっており、それにより、励起子に作用する電界が、印加電圧に対しても、余り顕著に変化しないことを明らかにした。
3. ポリチオフェン誘導体における電場変調分光(樋口、鐘本)
π共役ポリマーは、非線形光学応答を示すことが知られている。その効果の発現は、一次元に広がった電子状態によってもたらされていると示唆されているが、統一的な現象の理解が求められている。そこで、電子状態が一次元から二次元的にまで操作できる
ポリチオフェン誘導体において非線形光学効果を調べることで、ポリマーにおける非線形光学効果の次元性との関係並びに発現機構の理解を行えると期待できる。本研究では
特に、電場変調分光法から観測される非線形光学効果の異方性に注目した。その結果として、ポリチオフェン薄膜に対して、電場を垂直及び平行に印加した場合において、並行の場合が垂直の場合に比べて10倍程度非線形光学応用が大きいことが分かった。このことは、励起状態間の遷移モーメントが主として薄膜面に対して平行に向いている事を示している。
4. ポリチオフェン誘導体における光誘起吸収分光測定(安井、鐘本)
ポリチオフェンを含んだπ共役ポリマーは、光励起により励起子やキャリアが生成し、その特性が光伝導素子や発光材料への応用展開につながっている。それら光励起状態における励起子やキャリアの生成ダイナミクスを調べるには、一般に生成キャリアの寿命は長いため、比較的遅い時間領域における光誘起吸収測定が求められる。本研究では、チョッパーによるCW励起光の変調に同期する成分をロックイン検出することにより、ms～µs程度の寿命をもつ光誘起成分の吸収測定を行った。その結果、800nm付近に光誘起三

11重項状態の信号を観測し、さらには明瞭なブリーチング信号を観測できた。特にそのブリーチング信号では、元の吸収成分に比べて先鋭化した遷移が観測され、光誘起吸収として応答する成分は特定の決まった状態であることを明らかに出来た。
5. ポリチオフェン誘導体におけるポーラロンのESR（鐘本）
π共役ポリマーは酸化状態で正荷電状態のポーラロンを生成し、それに伴い電気伝導度が飛躍的に上昇することが知られている。ここでは、膜状態で層構造を形成するRR型
ポリチオフェンとアモルファスに存在するRRa型ポリチオフェンについて、その酸化状態のESRを比較した。結果として、RR型ではスペクトルに異方性が観測された一方で、RRa型では等方的なスペクトルが得られた。このことから、RR型では、ポーラロンが主として層構造内で運動し、RRa型では、ポーラロンが異なる鎖間を頻繁にホッピング運動していることが明らかになった。 (京都大学との共同研究。)

教育・研究業績
著書
1. 唐沢 力：分担執筆 ”励起子と光物性”、「巨視的量子現象とコヒーレンス」 (畑徹編 大阪市立大学大学院理学研究科重点研究グループ著、2008年3月発行)
学術論文
1. I. Akai, T. Kato, A. Okada, K. Kanemoto, T. Karasawa, M. Kimura, M. Ohashi, S. Shinoda, H.
Tsukube: “Depression of excitonic energy transfer by freezing molecular vibrations inmeta-linked branching dendrimers", Physica Status Solidi (c) 3, 3414–3419 (2006).
2. I. Akai, T. Kato, K. Kanemoto, T. Karasawa, M. Ohashi, S. Shinoda, H. Tsukube: “Morphology
dependence of excitonic energy transfer in lightharvesting dendrimers having benzyl ether-type
peripheries”, Physica Status Solidi (c) 3, 3420–3425 (2006).
3. K. Kanemoto, K. Furukawa , N. Negishi , Y. Aso , T. Otsubo: “Polaron dynamics in two
types of long oligothiophenes revealed by Q- and X-band ESR measurements", PhysicalReview B 76, 155205-1-8 (2007).
4. K. Kanemoto, Y. Imanaka, I. Akai, M. Sugisaki, H. Hashimoto, T. Karasawa: “Intrachain
Photoluminescence Dynamics of MEH-PPV in the Solid State", Journal of Physical
Chemistry B, 111, pp.12389-12394, (2007).
国際会議講演1. K. Kanemoto : “Photoluminescence dynamics of conjugated polymers and oligomers”, The 2nd
International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena 14-16 December,
2007, Osaka City University, Osaka, Japan.
学会・研究会講演
1. 薄井将吾，赤井一郎，渡辺勝儀，鐘本勝一，唐沢力：「CdTe/ZnTe量子構造の顕微分光」,
日本物理学会「2007年秋季大会」 (北海道大学) 2007年9月21-24日
2. 樋口達也，鐘本勝一，赤井一郎，唐沢力：「層状π共役高分子ポリチオフェン誘導体における電場変調吸収スペクトルの電場方向依存性」, 日本物理学会「2007年秋季大会」(北海道大学) 2007年9月21-24日
3. 下田崇史，鐘本勝一，赤井一郎，唐沢力：「π共役高分子MEH-PPVの電圧印加による励起
子解離と光伝導」, 日本物理学会「2007年秋季大会」(北海道大学) 2007年9月21-24日
4. 薄井将吾，赤井一郎，渡辺勝儀，鐘本勝一，唐沢 力：「CdTe/ZnTe量子構造の顕微分光」「第18回光物性研究会」(大阪市立大学) 2007年12月14-15日
5. 下田崇史，鐘本勝一，赤井一郎，唐沢 力：「π共役高分子MEH-PPVの電圧印加による励起

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6.

7.

子解離と光伝導」「第18回光物性研究会」(大阪市立大学) 2007年12月14-15
樋口達也，鐘本勝一，赤井一郎，唐沢 力：「層状π共役高分子ポリチオフェン誘導体の電場変調吸収分光測定とその電場方向依存性」「第18回光物性研究会」(大阪市立大学)
2007年12月14-15日
鐘本勝一，樋口達也，赤井一郎，唐沢力：「層状π共役高分子ポリチオフェン誘導体における電場変調吸収スペクトルの側鎖長依存性」「2008年春季大会」 (近畿大学) 2008年3月22-26
日その他
1. 唐沢 力:「“光” と 私たちの世界 ー 光の物理学と、半導体の物理学ー」、大阪市大の物理出張授業: 2007年6月4日、京都府立東舞鶴高等学校
2. 唐沢 力:「“光” と 私たちの世界 ー 光の物理学と、半導体の物理学ー」、大阪市大の物理出張授業: 2007年7月18日 上宮高等学校
3. 唐沢 力:「おもしろトーク 科学を知ろう！ ー不思議！“光”と私たちの世界ー」“アインシュタインLove”2007年8月7日
4. 唐沢 力:「“光” と 私たちの世界 ー 光の物理学と、半導体の物理学ー」、大阪市大の物理出張授業: 2007年11月15日 京都府立南陽高等学校
5. 唐沢 力:「“光” と 私たちの世界 ー 光の物理学と、半導体の物理学ー」、大阪市大の物理出張授業: 2007年12月9日 兵庫県立星陵高等学校

学位論文
修士論文
1. 薄井将吾：「顕微分光測定装置の作製と半導体量子構造中励起子の動的過程」, “Design andmanufacture of a micro-spectroscopy system for study on exciton dynamics in artificial
quantumstructures of semiconductors”
2. 下田崇史：「π共役高分子デバイス構造における励起子とキャリアの分光学的研究」,“Spectroscopic Studies of Excitons and Carriers in π Conjugated Polymer Devices”
3. 樋 口 達 也 ： 「 π 共 役 高 分 子 ポ リ チ オ フ ェ ン 誘 導 体 に お け る 電 場 変 調 吸 収 分 光 」 ,“Electroabsorption Spectroscopy on π-Conjugated Polymer Polythiophene Derivatives”
外部資金獲得状況
１．鐘本勝一：平成１９年度「シーズ発掘試験」JST,科学技術振興機構，(H19 : 2,000 千円)「高輝度発光材料を用いた高効率な短波長光変換薄膜素子の開発」
２．鐘本勝一：平成１９年度「カシオ科学振興財団研究助成」カシオ科学振興財団，(H19 : １,000 千円)「ポリマーELデバイスの動作及び劣化機構に関する分光技術を用いた探索」

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生体・構造物性研究室
橋本 秀樹 教授
杉﨑 満
准教授
丸山 稔
准教授

藤井 律子
須貝 祐子

(PD)
(PD)

楠本 利行
藤原 正澄
橋本 知明
山内 健聖
柴田 江身子
堀部 智子
森重 達也

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

研究概要
1. 光合成色素カロテノイドのサブ20フェムト秒縮退四光波混合（杉﨑，藤原，橋本）
光合成系における超高速・高効率エネルギー伝達とコヒーレンスとの関係を解明するた
めに，β-カロテンの共役鎖長が異なる一連の同族体を合成し，非線形光学応答のポリエン型π電子共役鎖長依存性を調べた．分光方法としてはサブ20フェムと秒過渡回折縮退四光波混合法を用いた．その結果，基底状態にカップルする分子振動の位相緩和が熱浴からの摂動によって主に引き起こされる事を明らかにし，各分子振動モードの位相緩和寿命を決定した．共役鎖長の短いカロテノイド分子では，C=C二重結合伸縮振動が主なエネルギー
散逸のチャンネルとなっているのに対し，共役鎖長の長いカロテノイド分子では，C-C単結合伸縮やC-Me変角振動などの他の振動モードもエネルギー散逸チャンネルとして寄与していることを明らかにした．研究成果は学術論文[1,17]として発表した．
2. 光合成色素バクテリオクロロフィルaのサブ20フェムト秒コヒーレント分光（杉﨑，藤原，藤井，橋本）
バクテリオクロロフィルaは，紅色光合成細菌の光捕集アンテナにおいて周期的に配列し，励起エネルギー伝達のための中心的な役割を演じる．特にそのエネルギー伝達効率は非常に高効率（∼100%）・超高速（<1 ps）であり，そのメカニズムを解明することは基礎研究・応用の両方向から興味がもたれる．光合成系における超高速・高効率エネルギー伝達とコヒーレンスとの関係を解明するために，光合成色素バクテリオクロロフィルのサブ
20フェムト秒縮退四光波混合実験を行い，3パルスフォトンエコー信号を観測した．バク
テリオクロロフィルの励起状態は，エネルギードナーであるカロテノイドの10倍程度と言う十分に長いコヒーレンスが保たれており，エネルギーの損失が抑えられていることを見出した．また，3パルスフォトンエコーピークシフト信号の観測を行い，極めて強い逆過渡グレーティング信号を与えることを明らかにした．二準位モデルに２光子過程を取り入れたシミュレーションを行うことで，フォトンエコーピークシフトの様相を定量的に説明することができるが，強い逆過渡グレーティング信号の存在は如何なるモデルを用いても説明することができず，バクテリオクロロフィル分子の電子状態について再考する必要性が示唆された．研究成果の一部を学術論文として発表した[11]．
3. 光合成膜蛋白質の脂質二重層膜への再構築・二次元結晶化及び電子顕微鏡観察（藤井，杉﨑，橋本）
脂質（Egg PC）にLH2，RC-LH1等の膜蛋白質を様々な割合で再構築する手法を確立した．
Egg PCにRhodopseudomonas (Rps.) viridisのRC-LH1コア複合体を再構築した膜（人工光合成
膜）及びRps. achidophilaのLH2アンテナ複合体を共に再構築した天然にはありえない組み合わせのヘテロな光合成膜蛋白質を持った人工光合成膜の電子顕微鏡観測を行うことに成功し，LH2アンテナ複合体のRC-LH1コア複合体に対する量比を増やしていくと伴に膜を14

フーリエ変換して得られる膜内の繰り返し配列が三角格子から正方格子へと変化することを発見した．フーリエ像の繰り返し距離の解析より，前者は13.5nmのコア複合体の配列，後者は8 nmのLH2複合体の配列であることがわかった．また，近赤外にあるコア複合体からの発光を，InGaAs検出器を用いて測定した．その結果，膜に再構築することにより，異種の光合成細菌から抽出したLH2アンテナ複合体からコア複合体へのエネルギー伝達が確かに行われること，またコアに対するLH2の量が増加するのに比例してコア1個当たりの蛍光量が増加することを世界で始めて明らかにした．電子顕微鏡観測より得られた配列の情報と，吸収・蛍光・蛍光励起スペクトルの情報より，二次元膜内におけるLH2からコア複合体へのエネルギー伝達モデルを作成し，シミュレーションを行った．これは，空間分解分光測定（顕微分光測定）に供するのに最適な系統的な試料となるとともに，このような解析方法は，時間分解・空間分解分光データの解析手段を確立する第一歩であると考えられる．研究成果の一部は学術論文として発表し[12]，現在更に詳細な解析を継続中である．
4. 光合成膜蛋白質の結晶化及びX線結晶構造回折（藤井，橋本）
天然体である紅色光合成細菌Rhodobacter sphaeroides 2.4.1の光反応中心(RC)色素蛋白複合体の良質の回折像が得られる結晶の大量調製を試みた．卓上型X線回折測定装置を用いて3.0Åを切る分解能が得られる結晶を一度に15〜20個程度調製し，凍結保存することに成功した．また，構造精密化の専門家を1ヶ月間招聘し，X線回折生データの取得から構造精密化までの技術を取得することができた．この際，上記のRC結晶について分解能1.95〜2.1Åという世界最高の分解能のデータを複数得ることに成功した．これらの詳細な解析及びデータの比較により，これまであまり注目されていなかった，蛋白質のふらつきの多い部
分，蛋白質表面に存在する水分子，界面活性剤分子，脂質分子の挙動について様々な知見が得られると考えて解析を進めている．また，カロテノイド部位の電子密度は非常に濃いが，数10分の1Å程度の構造変化を議論するためには2.5Åを切る高分解能の結晶を用いる必要があることがわかった．更に，共役二重結合鎖の短い合成カロテノイド3,4,7,8,5ʼ,6ʼ-ヘキサヒドロ-7ʼ,8ʼ-ジデヒドロスフェロイデン(n8)を再構成したn8RCの結晶を得て分解能3.5ÅのX線回折像を得た．詳細な解析の結果，得られた結晶中にはn8カロテノイドは結合していない可能性が高いことがわかり，カロテノイドの結合を確認する目的でも3.0Å程
度の分解能が必要であることがわかった．
5. LH1アンテナ色素蛋白複合体の再構築とStark分光測定（堀部，柴田，藤井，橋本）
異なる共役鎖長を持つ天然カロテノイドと，LH1由来のバクテリオクロロフィル含有モ
ノマー蛋白サブユニットを用いて，LH1複合体を再構築した．再構成条件の最適化を行う
ことにより，天然由来のLH1複合体と極めて近い分光特性を有する再構成LH1複合体の調製に成功した．得られた複合体に対して，Stark分光測定を適用することにより，カロテノ
イドおよびバクテリオクロロフィル周辺の静電環境を定量した．さらに，分子軌道計算を用いることで，カロテノイド分子が，既に結晶構造解析により構造が報告されているLH2複合体に結合したカロテノイドと同様のらせん性を持ちLH1蛋白に結合していることを示唆した．研究成果を学術論文として発表した[23]．
6. 金属電極上へのLHモデルペプチドの組織化と光電流特性（橋本）光合成アンテナ系蛋白質を模倣したモデルペプチドを合成し，亜鉛ポルフィリン分子との複合体を作成し，金属電極上に自己組織化した．得られた光合成モデル組織体の光電流特性を測定し，亜鉛ポルフィリン分子から金属電極に電流注入が起こる事を見出した．その効率は，亜鉛ポルフィリン分子と電極との距離に単純に比例せず，最適な距離が存在することが示唆された．得られた成果は学術論文として発表した[15,21]．
7. β-カロテン同族体の３次非線形光学特性（藤原，山内，杉﨑，橋本）
カカロテノイド分子に存在するポリエン型π電子共役鎖は，一般的な有機非線形光学材

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料に見られる大きな非線形性の起源であり，強相関電子系に該当する複雑な電子構造を有している．また複数の電子状態のカップリングによって大きな非線形性が引き起こされる事も知られている．我々は，上述のβ‐カロテンの共役鎖長が異なる一連の誘導体の三次非線形感受率を第三次高調波発生メーカーフリンジ法によって定量的に決定する事に成功した．それらの値は，既報の最大値にも匹敵するほどの大きさであった．時間依存摂動
密度行列法による数値シミュレーションから明らかになった事は，これらの非線形性増大
が，最低一光子許容励起状態への3光子共鳴によって引き起こされる事である．この事実
は，これまでの非線形性増大へのストラテジーとはまったく異なるもので，あらたな非線形性増大の手段を提供するものである．研究成果の一部をまとめ，学術論文に投稿した[24]．
8. 無鉛はんだ代替材として利用可能な銀ナノ粒子ペーストの開発（丸山）
私たちの開発した銀ナノ粒子は，直径2 nm〜30 nmをもち，表面が有機保護膜で被われ，金属核が凝集せず独立に分散する．このナノ粒子粉末を200〜350℃の温度で焼結すると，高融点の金属銀 (融点960℃) に変わるとともに，様々な材料に対して強く接合する．この特性を応用して地球環境にやさしい「無鉛はんだ代替材」として利用することを目的とした．銀ナノ粒子粉末を樹脂状溶剤に分散させ、使いやすいペースト状に仕上げた．このようなナノ銀ペーストを用いて接合したダイオードは，高温鉛はんだで接合したダイオードと比較して，良好な順方向電流・電圧特性および熱伝導特性を示した．低温（-55℃）と高温（+150℃）の間の温度サイクル耐久試
験も実施し，1800サイクル後でも試作したダイオードの電気伝導および熱伝導特性はほとんど劣化しないという結果が得られ，高温鉛はんだ代替材として実用化できることを示した[27,28]．
9. 氷円盤結晶の成長と融解の間に生じる非対称なパターン形成（丸山）
結晶はミクロな構造異方性をもつために，特定の方位の結晶面のみがマクロな結晶外形を形づくる．このため，成長形は成長速度の遅い方位の平面によって，融解形は融解速度の速い面によって囲まれる，という一般法則がある．成長形と融解形は違った形になることが予測されるが，その関係をきちんと調べた例はほとんどない．一昨年度は氷六角板結晶を用いて６回対称系で成長形と融解形の非対称を実証し、昨年度は氷円盤結晶の２回対称系においても同様な非対称を見いだした．今年度はこの2回対称系の成長・融解の素過程を考慮した数理モデルを作って，この非対称変化を定性的に説明した．

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教育・研究業績
学術 論文
1. M. Fujiwara, M. Maruyama, M. Sugisaki, H. Takahashi, S. Aoshima, R.J. Cogdell, and H.
Hashimoto, “Determination of the d-Tensor Components of a Single Crystal of
N-Benzyl-2-methyl-4-nitroaniline”, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 46 (2007) 1528-1530.
2. M. Sugisaki, K. Yanagi, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Unified explanation for linear andnonlinear optical responses in β-carotene: A sub-20 fs degenerate four-wave mixing
spectroscopic study”, Phys. Rev. B 75 (2007) 155110-1-11.
3. R. Fujii, N. Wakatake, S. Shimonaka, Q.-D. Chen, M. Sugisaki, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, and H.
Hashimoto, “Femtosecond time-resolved absorption spectra of photosynthetic membrane from apurple
bacterium Blastochloris (Rhodopseudomonas) viridis”, Carotenoid Science 11 (2007) 26-31.
4. M. Sugisaki, K. Yanagi, and H. Hashimoto, “Stimulated photon echo signals from β-carotene and its
homologue”, Carotenoid Science 11 (2007) 37-46.
5. R. Fujii, N. Wakatake, S. Shimonaka, Q.-D. Chen, M. Sugisaki, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, and H.
Hashimoto, “Femtosecond time-resolved absorption spectra of photosynthetic membrane from apurple
bacterium Blastochloris (Rhodopseudomonas) viridis”, Carotenoid Science 11 (2007) 26-31.
6. K. Kanemoto, Y. Imanaka, I. Akai, M. Sugisaki, H. Hashimoto, and T. Karasawa, “Intrachain
photoluminescence dynamics of MEH-PPV in the solid state”, J. Phys. Chem. B 111 (2007)
12389-12394.
7. M. Yoshizawa, D. Kosumi, M. Komukai, K. Yanagi, R. Fujii, and H. Hashimoto, “The S2 excited stateand nonlinear optical effects in carotenoids investigated by femtosecond fluorescence and absorption
spectroscopies”, Carotenoid Science 11 (2007) 21-25.
8. M. Yoshizawa, D. Kosumi, M. Komukai, K. Yanagi, R. Fujii, and H. Hashimoto, “The S2 excited stateand nonlinear optical effects in carotenoids investigated by femtosecond fluorescence and absorption
spectroscopies”, Carotenoid Science 11 (2007) 21-25.
9. D. Kosumi, S. Minato, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa, “Delay time dependence of stimulated
Raman spectrum of the S1 excited state in β-carotene”, Carotenoid Science 11 (2007) 35-37.
10. M. Sugisaki, M. Fujiwara, K. Yanagi, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Four-wave mixing
signals from β-carotene and its homologues”, Photosynth. Res. 95 (2008) 299-308.
11. M. Sugisaki, R. Fujii, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Linear and nonlinear optical responses inbacteriochlorophyll a”, Photosynth. Res. 95 (2008) 309-316.
12. R. Fujii, S. Shimonaka, N. Uchida, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Sugisaki, and H. Hashimoto,“Construction of hybrid photosynthetic units using peripheral and core antennae from two
different species of photosynthetic bacteria: Detection of the energy transfer frombacteriochlorophyll a in LH2 to bacteriochlorophyll b in LH1”, Photosynth. Res. 95 (2008)
327-337.
13. K. Nakagawa, S. Suzuki, R. Fujii, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Nango, and H. Hashimoto,“Probing binding site of bacteriochlorophyll a and carotenoid in the reconstituted LH1 complex
from Rhodospirillum rubrum S1 by Stark spectroscopy”, Photosynth. Res. 95 (2008) 339-344.
14. K. Nakagawa, S. Suzuki, R. Fujii, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Nango, and H. Hashimoto,“Electrostatic effect of surfactant molecules on bacteriochlorophyll a and carotenoid binding sites
in the LH1 complex isolated from Rhodospirillum rubrum S1 probed by Stark spectroscopy”,
Photosynth. Res. 95 (2008) 345-351.
15. T. Ochiai, T. Asaoka, T. Kato, S. Osaka, T. Dewa, K. Yamashita, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, H.
Hashimoto, and M. Nango, “Molecular Assembly of Zn Porphyrin Complexes Using Synthetic
Light-Harvesting Model Polypeptides”, Photosynth. Res. 95 (2008) 353-361.
16. I. Kinoshita, H. Hashimoto, T. Nishioka, R. Miyamoto, N. Kuwamura, and Y. Yoshida, “Mimicking
the photosynthetic system with strong hydrogen bonds to promote proton electron concerted
reactions”, Photosynth. Res. 95 (2008) 363-371.
17. M. Fujiwara, K. Yamauchi, M. Sugisaki, A. Gall, B. Robert, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Energy
dissipation in the ground-state vibrational manifolds of β-carotene homologues: A sub-20-fs
time-resolved transient grating spectroscopic study”, Phys. Rev. B 77 (2008) 205118-1-10.
18. M. Obata, A. Kitamura, A. Mori, C. Kameyama, J.A. Czaplewska, R. Tanaka, I. Kinoshita, T.
Kusumoto, H. Hashimoto, M. Harada, Y. Mikata, T. Funabiki and S. Yano, “Syntheses, structural

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characterization and photophysical properties of 4-(2-pyridyl)-1,2,3-triazole rhenium(I) complexes”, J.
Chem. Soc. Dalton Trans. 25 (2008) 3292-3300.
T. Ochiai, M. Ota, T. Kato, S. Osaka, T. Dewa, K. Yamashita, H. Hashimoto, and M. Nango,“Molecular Assembly of Bchl a Complexes onto ITO Electrode Using Synthetic Light-harvesting
Model Polypeptides Bearing Spermine Derivative”, Chem. Lett. 37 (2008) 98-99.
I. Akai, M. Higuchi, K. Kanemoto, T. Karasawa, H. Hashimoto, M. Kimura, “Energy transfer
dynamics in wire-type dendrimers having oligophenylene peripheries”, J. Lumin. 128 (2008) 948‒
951.
T. Ochiai, T. Asaoka, T. Kato, S. Osaka, T. Dewa, K. Yamashita, H. Hashimoto, M. Nango,“Molecular Assembly of Zn Porphyrin Complexes onto a Gold Electrode using Synthetic
Light-harvesting Model Polypeptides”, Tetrahedron Lett. 48 (2007) 8468-8471.
K. Miyamoto, H. Minamide, M. Fujiwara, H. Hashimoto, and H. Ito, “Coherent tunable
monochromatic THz-wave generation using N-Benzyl-2-methyl-4-nitroaniline (BNA) crystal”, Opt.
Lett. 33 (2008) 252.
K. Nakagawa, S. Suzuki, R. Fujii, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Nango, and H. Hashimoto,“Probing the Effect of the Binding Site on the Electrostatic Behaviour of a Series of Carotenoids
Reconstituted into the Light-harvesting 1 Complex from Purple Photosynthetic Bacterium
Rhodospirillum rubrum Detected by Stark Spectroscopy”, J. Phys. Chem. B 112 (2008) 9467-9475.
M. Fujiwara, K. Yamauchi, M. Sugisakai, K. Yanagi, A. Gall, B. Robert, R.J. Cogdell, and H.
Hashimoto, “Large Third-Order Optical Nonliearity Realized in Symmetric Nonpolar Carotenoids”,
submitted to Phys. Rev. B.
D. Kosumi, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa, “The S1 relaxation kinetics of all-trans-β-carotene
explored by two-photon excitation”, Carotenoid Science 12 (2008) in press.
K. Nakagawa, A. Mizuno, S. Suzuki, R. Fujii, T. Dewa, A. T. Gardiner, R. J. Cogdell, M. Nango, and
H. Hashimoto, “Characterization by Stark Spectroscopy of Reconstituted Light-harvesting 1 Complexof Purple Photosynthetic Bacterium Rhodospirillum rubrum with the Polypeptides,
Bacteriochlorophyll a , and Carotenoids”, Carotenoid Science 12 (2008) in press.
小松晃雄，丸山稔：「環境に調和したナノ粒子の応用事例」，化学工学，72, 27-30 (2008).
M. Maruyama, R. Matsubayashi, H. Iwakura, S. Isoda and T. Komatsu, “Silver nanosintering: alead-free alternative to soldering”, Appl. Phys. A, published online: 19 July 2008.

国際 会議 録1. M. Yoshizawa, D. Kosumi, K. Yanagi, and H. Hashimoto, “Ultrafast Relaxation of the S2 Excited
State in beta-Carotene and its Homologs: A Role of Intermediate States”, Ultrafast Phenomena XV,
Springer Series in Chemical Physics, 88 (2007) 516-518.
国際 会議 講 演
1. H. Hashimoto, M. Sugisaki, A.T. Gardiner, and R.J. Cogdell, “Very early photophysics ofcarotenoids probed by sub-20 fs degenerated four-wave mixing (DFWM) spectroscopy”, The 7th
Gordon Research Conference on Carotenoids, 7-12 January, 2007, Ventura, California, USA(Invited Lecture).
2. H. Hashimoto, M. Sugisaki, and R.J. Cogdell, “Very early photophysics of carotenoids probed bysub-20 fs degenerated four-wave mixing (DFWM) spectroscopy”, International Conference on
Light-Harvesting Processes, 21-24 March, 2007, Banz Monastery, Germany.
3. R. Fujii, S. Shimonaka, N. Uchida, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Sugisaki, and H. Hashimoto,“Construction of hybrid photosynthetic units using peripheral and core antennae from two
different species of photosynthetic bacteria: detection of the energy transfer frombacteriochlorophyll a in LH2 to bacteriochlorophyll b in LH1”, PS2007 Satellite Meeting, 19-22
July, 2007, Drymen, Scotland, UK.
4. M. Sugisaki, R. Fujii, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Sub-20 fs coherent spectroscopy ofphotosynthetic pigments”, PS2007 Satellite Meeting, 19-22 July, 2007, Drymen, Scotland, UK.
5. H. Hashimoto, M. Sugisaki, R. Fujii, and R.J. Cogdell, “Sub-20 fs coherent spectroscopy ofphotosynthetic pigments”, 14th International Congress of Photosynthesis (PS2007), 22-27 July
2007, Glasgow, UK.
6. D. Kosumi, K. Abe, M. Fujiwara, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa, “Ultrafast S1 dynamics induced

18

7.
8.
9.
10.

11.
12.

13.
14.

by two-photon excitation in all-trans-β-carotene”, The 2nd International Workshop on Photosynthetic
Antennae and Coherent Phenomena, 14-16 December, 2007, Osaka, Japan.
K. Yamauchi, M. Fujiwara, M. Sugisaki, and H. Hashimoto, “THG Maker Fringe Measurements ofbeta-carotene Homologues”, 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent
Phenomena, 14-16 December, 2007, Osaka, Japan.
M. Sugisaki, M. Fujiwara, and H. Hashimoto, “Coherent spectroscopy of photosynthetic pigments”,
2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, 14-16 December,
2007, Osaka, Japan.
T. Kusumoto, T. Horibe, T. Kajikawa, K. Aoki, S.R. Shanker, T. Iwashita, S. Katsumura, and Hideki
Hashimoto, “Stark Spectroscopy of Peridin analogues”, 2 nd International Workshop on Photosynthetic
Antennae and Coherent Phenomena, 14-16 December, 2007, Osaka, Japan.
T. Kusumoto, R. Fujii, and H. Hashimoto, “β-Conjugated Chain Length Dependence of the dication
state of Polar Carotenoid Analogues Measured by Nanosecond Time-Resolved Absorption
Spectroscopy”, 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena,
14-16 December, 2007, Osaka, Japan.
T. Hashimoto, T. Kusumoto, M. Sugisaki, and H. Hashimoto, “Femtosecond Time-Resolved
Absorption Spectroscopy of a Polar Carotenoid Analogue”, 2nd International Workshop on
Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, 14-16 December, 2007, Osaka, Japan.
T. Sakurai, Y. Suemori, M. Hatasa, O. Goto, K. Iida, T. Dewa, K. Yamashita, H. Tanaka, T. Ogawa, H.
Hashimoto, and M. Nango, “Assembly of the light-harvesting / reaction center complexes ofphotosynthetic bacteria onto a gold substrate”, 7th International Congress on Tetrapyrrole
Photoreceptors in Photosynthetic Organisms, 9-14 December ,2007, Kyoto, Japan.
K. Miyamoto, H. Minamide, M. Fujiwara, H. Hashimoto, H. Ito, “Coherent tunable monochromatic
terahertz-wave generation using N-Benzyl-2-methyl-4-nitroaniline (BNA) crystal”, SPIE Photonics
West 2008, January, 2008, San Jose, USA.
M. Fujiwara, K. Yamaushi, M. Sugisaki, H. Hashimoto, and R. J. Cogdell, “Ultrafast dephasing
processes in β-carotene homologues”, 2008 APS March Meeting, 10-14 March, 2008, New Orleans,Louisiana, USA.

学会 ・研 究 会講 演
1. 藤井 律子，下中 奨三，内田 直子，Alastair T. Gardiner，Richard J. Cogdell，杉﨑 満，橋本 秀樹，「人工膜内に配列した異種の光合成色素蛋白複合体間のエネルギー伝達」，日
本物理学会2007年春季大会，2007年3月18 〜3月21日，鹿児島大学郡元キャンパス．
2. 杉﨑 満，藤井 律子，橋本 秀樹，「バクテリオクロロフィルaの超高速光学応答」，日本物理学会2007年春季大会，2007年3月18〜3月21日，鹿児島大学郡元キャンパス．
3. 杉﨑 満，藤井 律子，橋本 秀樹，「β-カロテンとバクテリオクロロフィル a におけるコ
ヒーレント分光」，第 15 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，2007 年 6 月
30 日〜7 月 1 日，京都大学．
4. 山内 健聖，藤原 正澄，杉﨑 満，橋本 秀樹，「β-カロテンホモログの THG メーカーフ
リンジ測定」，第 21 回カロテノイド研究談話会，2007 年 9 月 6 日〜9 月 7 日，大阪市立大学）．
5. 藤原 正澄，山内 健聖，杉﨑 満，橋本 秀樹，「β-カロテンホモログ体における超高速光学過程」，第 21 回カロテノイド研究談話会，2007 年 9 月 6 日〜9 月 7 日，大阪市立大
学．
6. 杉﨑 満，藤原 正澄，橋本 秀樹，「β-カロテンにおける縮退四光波混合 ―励起エネル
ギー依存性―」，第 21 回カロテノイド研究談話会，2007 年 9 月 6 日〜9 月 7 日，大阪市
立大学．
7. 橋本 知明，楠本 利行，杉﨑 満，橋本 秀樹，「極性カロテノイド類のフェムト秒時間
分解吸収分光」，第 21 回カロテノイド研究談話会，2007 年 9 月 6 日〜9 月 7 日，大阪市
立大学．
8. 杉﨑 満，藤井 律子，橋本 秀樹，「バクテリオクロロフィル a の超高速光学応答 II」，
日本物理学会 第62回年次大会，2007年9月21日〜9月24日，北海道大学．

19

9.

藤原 正澄，山内健聖，杉﨑 満，橋本 秀樹，「β-カロテンホモログ体における超高速光学過程」，日本物理学会 第 62 回年次大会，2007 年 9 月 21 日〜9 月 24 日，北海道大学．
10. 山内 健聖，藤原 正澄，杉﨑 満，橋本 秀樹，「β-カロテンホモログ体の THG メーカー
フリンジ測定」，日本物理学会 第 62 回年次大会，2007 年 9 月 21 日〜9 月 24 日，北海
道大学．
11. 橋本 秀樹，杉﨑 満，藤原 正澄，藤井 律子，Richard J. Cogdell，「超高速レーザー分光で見えてきた光合成アンテナ色素蛋白複合体の機能」，日本化学会第88春季年会， 2008
年3月26日〜3月30日，立教大学 池袋キャンパスおよび立教池袋中学校・高等学校（東京都豊島区），特別講演．
12. 中川 勝統，水野 愛弓，中野 翼，福井 直美，出羽 毅久，藤井 律子，橋本 秀樹，南後守，「紅色光合成細菌のアンテナ系 LH1 複合体の構造形成とカロテノイド色素の機能評価」，日本化学会第 88 春季年会， 2008 年 3 月 26 日〜3 月 30 日，立教大学 池袋キャンパスおよび立教池袋中学校・高等学校（東京都豊島区）．
13. 中川 勝統，水野 愛弓，中野 翼，福井 直美，出羽 毅久，藤井 律子，橋本 秀樹，南後守，「紅色光合成細菌のアンテナ系 LH1 複合体の構造形成とカロテノイド色素の機能評価」，日本化学会第 88 春季年会， 2008 年 3 月 26 日〜3 月 30 日，立教大学 池袋キャンパスおよび立教池袋中学校・高等学校（東京都豊島区）．
14. 青木 一良，Singh Ram Shanker，梶川 敬之，岩下 孝，楠本 利行，橋本 秀樹，勝村 成
雄，「光合成エネルギー伝達機構の解明を目的としたペリジニン類縁体の合成：アレン誘導体」，日本化学会第 88 春季年会， 2008 年 3 月 26 日〜3 月 30 日，立教大学 池袋キャンパスおよび立教池袋中学校・高等学校（東京都豊島区）．
15. 梶川 敬之，青木 一良，R. S. Singh，岩下 孝，N. Chatterjee，H.A. Frank，橋本 秀樹，勝村 成雄，「光合成エネルギー伝達機構の解明を目的としたペリジニン類縁体の合成:エステル誘導体」，日本化学会第 88 春季年会， 2008 年 3 月 26 日〜30 日，立教大学 池袋キャンパスおよび立教池袋中学校・高等学校（東京都豊島区）．
16. 宮本 克彦，藤原 正澄，南出 泰亜，橋本 秀樹，伊藤 弘昌，「有機非線形結晶 BNA を用いた広帯域 THz 波発生」，第 55 回応用物理学関係連合講演会，2008 年 3 月 28〜3 月
30 日，日本大学理工学部 船橋校舎（船橋市）．
17. 杉﨑 満，藤原 正澄，橋本 秀樹，「β-カロテンにおける縮退四光波信号の励起エネルギ
ー依存性」，日本物理学会 第 63 回年次大会，2008 年 3 月 22 日〜3 月 26 日，近畿大学．
18. 藤原 正澄，杉﨑 満，橋本 秀樹，「コヒーレント振動を構成する分子振動モードの時間
揺らぎ」，日本物理学会 第 63 回年次大会，2008 年 3 月 22 日〜3 月 26 日，近畿大学．
19. 楠本 利行，藤井 律子，橋本 秀樹，「極性カロテノイド同属体のジカチオン状態の共役
鎖長依存性」，日本物理学会 第 63 回年次大会，2008 年 3 月 22 日〜3 月 26 日，近畿大
学．
20. 小澄 大輔，阿部 健太，藤原 正澄，橋本 秀樹，吉澤 雅幸，「β-カロテンにおける 2 光子励起された S1 励起状態ダイナミクスの励起エネルギー依存性」，日本物理学会 第 63回年次大会，2008 年 3 月 22 日〜3 月 26 日，近畿大学．
21. 丸山 稔：「氷結晶の平衡形･成長形･融解形の関係」日本雪氷学会シンポジウム招待講演
2007年9月27日 富山大学．
著書
1. 橋本秀樹，藤井律子，「第1章 光合成の基礎，2 光合成の初期過程の最新の描像」，光合成微生物の機能と応用（上原赫 監修，シーエムシー出版，2006）pp. 18-37．
2. 橋本秀樹，杉﨑満，「第6章 光合成研究最前線」，巨視的量子現象とコヒーレンス（畑徹 編，2008）pp. 151-194．
解説
1. 高橋宏典，黒柳和良，青島紳一郎，藤原正澄，橋本秀樹，「極超短パルス光を利用した

20

テラヘルツ波の発生・計測 ＝有機非線形光学結晶BNAからのTHz波発生と周波数ドメイ
ン分光法＝」，光アライアンス 2006.3 (2006) pp. 13-17．

学位論文
修士 論文
1. 橋本 知明：「紅色光合成細菌Blastochloris viridisから調製した光合成膜のフェムト秒時間
分解吸収分光」．
2. 山内 健聖：「天然及び再構成光合成LH1複合体の電場変調吸収分光測定」．

研究助成金取得状況
1.
2.

橋本秀樹：科学技術振興機構・CREST「光合成初期反応のナノ空間光機能制御」2億円．
橋本秀樹：日本学術振興会・基盤研究A「人工光合成色素蛋白複合体超分子配列の機能統御」5,000万円．
3. 橋本秀樹：文部科学省・萌芽研究「酸化還元電位サイクルに同期した新しい超高速時間
分解吸収分光装置の開発」500万円．
4. 橋本秀樹：科学技術振興機構・戦略的国際科学技術協力推進事業（日英協力）ナノ空間に配列させた光合成色素蛋白超分子複合体間における超高速励起エネルギー移動過程の
実時間動画撮影技術の確立」3,500万円．
5. 杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「光合成色素蛋白超分子複合体のコヒーレント制御」1,500万円．
6. 杉﨑満：学術振興会・萌芽研究「近紫外~近赤外をギャップなしでカバーするサブ20フ
ェムト秒光パルスシステムの開発」330万円．
7. 藤井律子：学術振興会・若手研究A「時間分解X線構造解析・分光法によるカロテノイドの光保護分子メカニズムの解明」2,900万円．
8. 丸山稔：学術振興会・基盤研究C「結晶の平衡形･成長形･融解形の間に生じる非対称の解明」
143万円．
8. 丸山稔：受託研究・新電元工業株式会社「複合銀ナノ粒子の物性評価」210万円．

海外出張および海外研修
1.
2.

3.
4.
5.

6.
7.

橋本秀樹：米国（ベンチュラ・マリオットホテル），2007年1月6日〜1月14日，2007年度
カロテノイドに関するゴードン国際会議にて招待講演．
橋本秀樹：ドイツ，英国（バンツモナスタリー，グラスゴー大学，シェフィールド大学），
2007年3月20日〜3月31日，光合成アンテナに関する国際ワークショップにて研究発表，
及び戦略的科学技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ．
杉﨑満：カナダ（トロント大学），2007年3月24日〜4月11日，ナノテクノロジー研究所
にて共同研究．
橋本秀樹：米国（コネチカット大学），2007年5月13日〜5月20日，共同実験の実施，及び戦略的国際科学技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ．
橋本秀樹：フランス（CEA Saclay 生物物理学研究所)，英国（グラスゴー大学、シェフィール ド大学），2007年6月10日〜6月26日，共同実験の実施，及び戦略的国際科学技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ．
杉﨑満：英国（Buchanan Arms Hotel），2007年7月18日〜7月24日，光合成光捕集アンテ
ナ系に関する国際ワークショップに出席し研究発表．
橋本秀樹：英国（グラスゴー大学，Buchanan Arms Hotel），2007年7月18日〜7月28日，
光合成光捕集アンテナ系に関する国際ワークショップ，及び第14回国際光合成会議に出21

席．
8. 橋本秀樹：ドイツ（バイロイツ大学／フライジング），2007年9月28日〜10月7日，共同
研究打合せ，及び国際会議（蛋白質の光誘起ダイナミクス）に出席し研究発表．
9. 橋本秀樹：英国（グラスゴー大学），2007年11月13日〜11月18日，戦略的国際科学技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ．
10. 橋本秀樹：英国（グラスゴー大学），2008年2月18日〜2月24日，戦略的国際科学技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ．

その他
1.
2.
3.
4.

“The 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena” 開催，2007年12月14‐16日，キャンパスポート大阪「大阪市立大学 複合先端研究機構 設立記念シンポジウム」開催，2008年3月10日，大阪市立大学学術情報センター
橋本秀樹：日本カロテノイド研究会幹事役員，Carotenoid Science編集委員長
橋本秀樹：国際カロテノイド学会Council Member, Secretary22素励起物理学研究室
坪田
鈴木

誠
教授
正人 講師

P. Louis(PD)小林未知数(PD)

竹内
藤山
安永
東

宏充(D1)
将士(D1)
昌司(M2)
秀憲(M1)

研究概要
1. 原 子気 体 ボ ース ・ ア イ ンシ ュ タ イン
凝縮 体の 量 子乱 流 （坪田、小林）
近年超流動ヘリウムを舞台に量子乱流の研究が世界的に盛んになっている。
量子乱流は、ボース凝縮による秩序変数の存在に起因する量子渦という安定な位相欠陥によって成り、古典乱流よりも簡単な乱流の雛形を呈すると期待されている。我々はこれまで、超流動ヘリウムを想定した量子渦糸モデル、またはGross-Pitaevskii(GP)モデルにより量子乱流の数値解析的研究を行い、古典乱流の最も重要な統計則であるエネルギー・スペクト
ルのコルモゴロフ則が量子乱流でも成り立つことを示すなど、大きな貢献を行って来た。
一方、1995年に実現した中性原子気体のボース凝縮は、物性物理学の世界に新風を吹き込んだ。我々は、回転ボース凝縮体における量子渦格子形成のダイナミクスを解明するなど、この分野でも大きな貢献を行って来た。今回は、これらの成果を融合し、GPモデ
ルを用い、捕獲原子気体ボース凝縮体でも、上左図のような２軸回転を用いることで量子乱流を生成できること、およびそのエネルギー・スペクトルがコルモゴロフ則に従うことを初めて示した（上右図）。
2. 超流 動ヘ リ ウム にお ける 振 動細 線に よ る量 子 乱流 遷移 （坪田、藤山）
本学超低温物理研究室では、近年、超流動4He中で超伝導振動細線による量子乱流の研究を行っている。この類の研究は世界的に行われており、振動する物体の形状（球、細線、格子など）やサイズ等に依存しない普遍的な乱流遷移の挙動が観測されている。この乱流遷移は、通常は、液体中に残余する量子渦が振動物体により増幅されたものと考えられている。しかし、超低温物理研究室の大きな成果は、残余渦が付着しない振動細線を得たことである。これにもう一方の細線から量子渦輪を照射し、乱流遷移を観測した。我々はこの状況を調べるべく、渦糸モデルによる数値計算を行った。振動球に量子渦輪を照射し、実験結果におおよそ一致する挙動を確認した。
3. スピ ノー ル・ボ ース・ア イン シ ュタ イン 凝縮 体に おけ る スピ ンエ コー（坪田、安永）数十年来にわたり、磁性物理の分野では核磁気共鳴(NMR)、電子スピン共鳴(ESR)が重要な問題であり、これまで膨大な研究が積み重ねられて来た。近年実現したスピノール・
ボース凝縮体でも同様の分野が拓かれるべきであるという認識から、磁気共鳴の最も典型的な現象であるスピンエコーに着目し、多成分GP方程式による理論的および数値的研究を行い、この系でも確かにスピンエコーを実現、観測できることを初めて示した。特に多成分ボース凝縮系特有の相分離がこの物理に深く関与することを示した。

23

教育・研究業績
著書
1. 坪田誠・西森拓、非線形科学シリーズ1
風館(2008).

量子渦のダイナミクス/砂丘と風紋の動力学、培

学術 論文
1. R. Goto, S. Fujiyama, H. Yano, Y. Nago, N. Hashimoto, K. Obara, O. Ishikawa, M. Tsubota, andT. Hata, ” Turbulence in Boundary Flow of Superfluid 4He Triggered by Free Vortex Rings” Phys.
Rev. Lett. 100 045301 (2008).
2. M. Kobayashi and M. Tsubota, ” Quantum Turbulence in a Trapped Bose-Einstein Condensate” Phys. Rev. A 76 045603 (2007).
3. M. Yasunaga and M. Tsubota, “Spin echo in spinor dipolar Bose-Einstein condensates”（投稿中）, arXiv:0806.1777.
4. M. Tsubota, “Quantum turbulence” (in press), Review article invited to J. Phys. Soc. Jpn.,
arXive:0806.2737.
5. K. Kasamatsu and M, Tsubota, “Quantized vortices in atomic Bose-Einstein condensates” (inpress), Prog. Low Temp. Phys., eds. W. P. Halperin and M. Tsubota (Elsevier, Amsterdam,
2008) Vol.16, arXiv:0709.1042.
6. M. Tsubota and M. Kobayashi, “Energy spectra in quantum turbulence” (in press), Prog. Lo
w Temp. Phys., eds. W. P. Halperin and M. Tsubota (Elsevier, Amsterdam, 2008) Vol.16.
7. M. Tsubota and M Kobayashi, “Quantum turbulence in trapped atomic Bose-Einstein conde
nsates” J. Low. Temp. Phys. 150 402 (2008).
8. M Kobayashi and M. Tsubota, “Quantum Turbulence in a Trapped Bose-Einstein Condensat
e under Combined Rotations around Three Axes” J. Low. Temp. Phys. 150 587 (2008).
9. K Kasamatsu and M. Tsubota, “Static and Dynamic Properties of Multicomponent Bose-Eins
tein Condensates of Ytterbium Atoms” J. Low. Temp. Phys. 150 599 (2008).
10. H. Takeuchi, M. Tsubota and G. E. Volovik, “Zel'dovich-Starobinsky Effect in Atomic Bose
-Einstein Condensates: Analogy to Kerr Black Hole” J. Low. Temp. Phys. 150 528 (2008).
11. K Kasamatsu and M. Tsubota, “Dynamical Properties of Vortices in a Bose-Einstein Cond
ensate in a Rotating Lattice” J. Low. Temp. Phys. 148 357 (2007).
12. S. Fujiyama, R. Hanninen and M. Tsubota, “Vortex pinning to a solid sphere in helium I
I” J. Low. Temp. Phys. 148 263 (2007).
13. M. Kobayashi and M. Tsubota, “Dissipation of Gross-Pitaevskii Turbulence Coupled with T
hermal Excitations” J. Low. Temp. Phys. 148 275 (2007).
14. A. Mitani and M. Tsubota, “Self-Organization of Vortex Line Length Distribution in Dilute
Quantum Turbulence” J. Low. Temp. Phys. 148 269 (2007).
15. P. Louis and M. Tsubota, “Bosons in Disordered Optical Potentials” J. Low. Temp. Phys.
148 351 (2007).
16. M. Yasunaga and M. Tsubota, “Dynamics of vortex lattice formation in a rotating Bose-Ei
nstein condensate with an optical lattice potential” J. Low. Temp. Phys. 148 363 (2007).
17. H. Takeuchi and M. Tsubota, “Boojums Connecting Singular and Continuous Vortices in Two-Co
mponent Bose-Einstein Condensates” J. Low. Temp. Phys. 148 375 (2007).

国際 会議 講 演
1.
Makoto Tsubota , Quantum turbulence in atomic Bose-Einstein condensates (Invited),
Nonlinear phenomena in degenerate quantum gases, Toledo, Spain, 2008. 4. 1 - 4.

24

2.
Makoto Tsubota , Quantum turbulence - from superfluid helium to atomic Bose-Einsteincondensates (Invited), Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperatures, Espoo,
Finland, 2008. 3. 28 - 30.
3.
Shoji Fujiyama and Makoto Tsubota, Numerical simulation on quantum turbulence createdby an oscillating object , Symposium on Quantum Phenomena and Devices at Low Temperatures,
Espoo, Finland, 2008. 3. 28 - 30.
4.
Hiromitsu Takeuchi and Makoto Tsubota , Donnelly-Glaberson instability in atomic
Bose-Einstein condensates at zero temperature, Symposium on Quantum Phenomena and Devices at
Low Temperatures, Espoo, Finland, 2008. 3. 28 - 30.
5.
Hiromitsu Takeuchi and Makoto Tsubota , Exotic Kelvin Waves on a Vortex in Atomic
Bose-Einstein Condensates , 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent
Phenomena, Campus Port, Osaka-Ekimae Dai-2 Building, Osaka, Japan, 2007. 12. 14-16.
6.
S. Fujiyama and M. Tsubota, Numerical Simulation for Quantum Turbulence on Vibrating
Wire , 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, Campus
Port, Osaka-Ekimae Dai-2 Building, Osaka, Japan, 2007. 12. 14-16.
7.
Hidenori Azuma and Makoto Tsubota , Turbulence of Capillary Waves and the Spectrum ,2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, Campus Port,
Osaka-Ekimae Dai-2 Building, Osaka, Japan, 2007. 12. 14-16.
8.
Masashi Yasunaga and Makoto Tsubota, Magnetic Resonance of Chromium Bose Einstein
Condensates , 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena,
Campus Port, Osaka-Ekimae Dai-2 Building, Osaka, Japan, 2007. 12. 14-16.
9.
Michikazu Kobayashi and Makoto Tsubota, Realization of Quantum Turbulence in Atomic
Bose-Einstein Condensation , 2nd International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent
Phenomena, Campus Port, Osaka-Ekimae Dai-2 Building, Osaka, Japan, 2007. 12. 14-16.
10.
Makoto Tsubota , Quantum Turbulence - Fron Superfluid Helium to Atomic Bose-Einstein
Condensates- (Invited), International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean
Materials, Gifu, Japan, 2007. 10. 29-11. 1.
11.
Shoju Fujiyama, Kelvin waves of a quantized vortex: the energy spectra and the effect due
to the mutual friction, International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean
Materials, Gifu, Japan, 2007. 10. 29-11. 1.
12.
Hidenori Azuma, Turbulence of Capillary Waves and the Spectrum , International
Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials, Gifu, Japan, 2007. 10. 29-11.
1.
13.
Masashi Yasunaga , Magnetic Resonance of Chromium Bose-Einstein Condensates ,International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials, Gifu, Japan,
2007. 10. 29-11. 1.
14.
Michikazu Kobayashi , Quantum Turbulence Realized in Trapped Atomic Bose-Einstein
Condensates , International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials,
Gifu, Japan, 2007. 10. 29-11. 1.
15.
Hiromitsu Takeuchi , Exotic Kelvin Waves on a Vortex in Atomic Bose-Einstein
Condensates , International Symposium on Physics of New Quantum Phases in Superclean Materials,
Gifu, Japan, 2007. 10. 29-11. 1.
16.
M. Kobayashi and M. Tsubota , Quantum Turbulence in a Trapped Bose-Einstein
Condensate , Bose-Einstein Condensation 2007 Frontiers in Quantum Gases, Sant Feliu de Guixols(Costa Brava) Spain, 2007. 9. 15-20.
17.
Makoto Tsubota , Quantum Turbulence in Trapped Bose-Einstein Condensates (Invited) ,International Symposium "Topology and Singularity in Optical Physics", Sapporo, Japan, 2007. 7.
23-24.
18.
M. Tsubota, Quantum Turbulence in Trapped Atomic Bose-Einstein Condensates (Invited),
International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kazan, Russia, 2007. 8. 1-6.

25

19.
M. Kobayashi and M. Tsubota, Quantum Turbulence in a Trapped Bose-Einstein
Condensate under Combined Rotations around Three Axes , International Symposium on Quantum
Fluids and Solids, Kazan, Russia, 2007. 8. 1-6.
20.
H. Takeuchi, M. Tsubota, and G. E. Volovik , Zel'dovich-Starobinsky Effect in Atomic
Bose-Einstein Condensates: Analogy to Kerr Black Hole, International Symposium on Quantum
Fluids and Solids, Kazan, Russia, 2007. 8. 1-6.
21.
K. Kasamatsu and M. Tsubota , Static and Dynamic Properties of Multicomponent
Bose-Einstein Condensates of Ytterbium Atoms , International Symposium on Quantum Fluids andSolids, Kazan, Russia, 2007. 8. 1-6.
22.
Makoto Tsubota , Quantum turbulence from superfluid helium to atomic Bose-Einsteincondensates (Invited lecture), EUROMECH Colloquium 491 "Vortex dynamics from quantum togeophysical scales ", Exeter, UK, 2007. 9.11-14.
学会 ・研 究 会講 演
1.
小林未知数，石原秀樹，栗田泰生，森成隆夫, 坪田誠,  ボース・アインシュタイン凝縮体における粒子生成2：ホーキング輻射の検証にむけて, 日本物理学会、第63回年次大会、近畿大学、大阪、2008. 3. 22-26
2.
藤山将士，後藤塁，矢野秀雄，坪田誠, 振動物体が作る量子乱流に関する数値計算, 日
本物理学会、第63回年次大会、近畿大学、大阪、2008. 3. 22-26
3.
沼里龍，坪田誠, 2次元量子乱流, 日本物理学会、第63回年次大会、近畿大学、大阪、
2008. 3. 22-26
4.
佐々成正，町田昌彦，小林未知数，坪田誠, 超 流動乱流状態における大規模自己相似構
造, 日本物理学会、第63回年次大会、近畿大学、大阪、2008. 3. 22-26
5.
小林未知数，坪田誠，D.P. Lathrop , 量子渦の自己相似的再結合ダイナミクスの解析, 日
本物理学会、第63回年次大会、近畿大学、大阪、2008. 3. 22-26
6.
Makoto Tsubota , Quantum Turbulence -from superfluid helium to atomic Bose-Einsteincondensate, Charles University, Czech Republic, 2008. 4. 7.
7.
Hiromitsu Takeuchi , Boojums in Rotating Two-Component Bose-Einstein Condensates,
Tokyo Institute of Technology, 2008. 2. 19.
8.
小林未知数, 坪田誠, 原子気体ボース凝縮体で実現する量子乱流,日本物理学会、第62回年次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
9.
竹内宏光, 坪田誠, ボース・アインシュタイン凝縮体中のケルビン波のダイナミクス,
日本物理学会、第62回年次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
10.
安永昌司, 坪田誠, クロム原子気体ボース・アインシュタイン凝縮における磁気共鳴現象, 日本物理学会、第62回年次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
11.
小林未知数, 石原秀樹，栗田泰生，森成隆夫，坪田誠, ボース・アインシュタイン凝縮体における粒子生成：曲がった時空上の場の量子論とのアナロジー, 日本物理学会、第62回年
次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
12.
坪田誠, 量 子乱流 - 超流動ヘリウムから原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体まで -（招待講演）, 日本物理学会、第62回年次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
13.
藤山将司, 坪田誠, 円筒容器中における量子渦糸のケルビン波, 日本物理学会、第62回
年次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
14.
東秀憲, 坪田誠, 表 面張力波の乱流とスペクトル, 日本物理学会、第62回年次大会、北海道大学、2007. 9. 21-24
15.
Makoto Tsubota , Quantum Turbulence -Another Da Vinci Code-, Physics and Astronomy
Colloquia, Northwestern University, 2007. 12. 7
16.
小林未知数, 原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体を用いた量子乱流研究の実現, 
九州大学応用力学研究所研究集会「乱流現象及び多自由度系の動力学、構造と統計法則」、
2007. 11. 23-25

26

17.
小林未知数，坪田誠, 量子流体力学および量子乱流の理論的研究とその発展, 京都大学
数理解析研究所共同研究集会「オイラー方程式250年：連続体力学におけるオイラーの遺産」，
京都大学，2007. 9.12-14
18.
小林未知数, 量子流体力学および量子乱流の理論的研究とその発展, 群馬大学工学部
共通講座セミナー、2007. 6. 29
19.
坪田誠, 量子乱流 -もう一つのダ・ヴィンチ・コード-, (招待講演) 分子科学研究所第70回分子科学フォーラム、2007. 6. 27
20.
坪田誠, 量子乱流 -もう一つのダ・ヴィンチ・コード-（招待講演）, 北海道大学第113
回エンレイソウの会、2007. 6. 22
21.
坪田誠, Quantum Turbulence -Another Da Vinci Code-, 東京大学大学院理学系研究科、2007. 2. 8
22.
Makoto Tsubota, Topics on Quantum Turbulence, Helsinki University of Technology,
2007. 2. 22

学位論文
修士 論文
1.
安永昌司：「光学ポテンシャルが実現する中性原子気体Bose-Einstein凝縮における新たな物理-四角量子渦格子と磁気共鳴現象-」

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.

坪田誠：日本学術振興会・科研費基盤研究(B)「量子流体力学の構築」450万円
坪田誠：文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質における新しい量子相の物理」
計画研究「量子渦の物理と新しい超流動乱流の研究」1,300万円
竹内宏光：日本学術振興会特別研究員奨励費 100万円
小林未知数：日本学術振興会科研費（若手研究スタートアップ） 86万円

その他
アメリカのTHOMSON（トムソン）社により、坪田は、Superfluids（超流動）の分野(1995-2005)
で世界第６位の研究者としてランクされた。
http://www.esi-topics.com/superfluids/authors/b1b.html

27

宇宙線物理学研究室
林嘉夫
教授
大嶋 晃敏 (D3)
荻尾 彰一
准教授
奥田 剛司 (D1)松山 利夫
技術職員(システム計測室)
小島 浩司 (客員教授)

南野真容子(D1)
宮内 仁(M2)
藤井 俊博(B4)

研究概要
１．宇宙粒子線による点源探索と加速機構の研究（林，荻尾，松山，小島，大嶋，奥田，南野，
宮内，藤井）
インド・デカン高原南部のOotyで，タタ基礎研究所との共同研究で表題の研究を行っている．この目的で大規模空気シャワー観測装置の建設・運転を継続中である。現在，シンチレーション検出器（1m ２）約350台および４基のミューオン検出装置（合計560m ２，＞1GeV）でデータ収集を行っており，データを蓄積しつつ解析を行っている．現在，主テーマである一次ガンマ線による高エネルギーガンマ線天体の観測と，knee（>1015eV）以上の一次宇宙線の原子核組成の研究のために新型のシンチレーション検出器（Dual PMT）の増設を行なっている．また，これまでの空気シャワー観測装置のデータ解析の結果，月や太陽が宇宙線を遮ることによる強度減少（月，太陽の影）を確認した．さらにミューオン検出装置のデータをシ
ャワー観測装置のデータとあわせて解析することにより，かに星雲からのガンマ線検出に成功した．これらの成果は第３０回宇宙線国際会議などで発表した．一次ガンマ線検出にあたり，実験装置の感度を向上させるためミューオン検出器の増設を行なう予定であり，それに向けた準備を開始した．
２．太陽系近傍における宇宙線の異方性の研究（林，荻尾，松山，小島，大嶋，奥田，南野，宮内，藤井）Ootyの大規模空気シャワー観測装置の一部である４基のミューオン検出装置を使った大面積高精度muon 望遠鏡の運転を引き続き行った．２００７年は太陽活動の静穏期の末期（極小期）であったため，顕著な太陽活動に伴う現象は見られなかった．しかし，２００８年１月，
次の太陽活動の始まりを示す高緯度黒点が観測され，太陽活動は極小期を過ぎた．今後数年のうちに活発となる太陽活動の観測のため，山梨県北杜市の東大宇宙線研究所明野観測所に設置されたOotyと同型のミューオン検出装置の運転再開のための準備を開始した．
３．宇宙線望遠鏡計画 (Telescope Array Project) （林，荻尾，松山，小島，大嶋，奥田，南野，
宮内，藤井）
宇宙線望遠鏡実験は，1018eV以上の最高エネルギー領域宇宙線を観測するための日米国
際共同プロジェクトである．この目的のため，大気蛍光望遠鏡（FD）と地表検出器（SD）
アレイの両方を同時に用いるハイブリッド型観測装置を米国・ユタ州に設置した．
SDアレイはシンチレーション検出器約500台からなり，大阪市立大学を中心として開発・製作が行われ，2007年度末までに完成し，稼働開始した．琵琶湖の面積を上回る700km2の有効検出面積を持ち，1019eV以上の宇宙線を年間700例検出するものと期待されている．
本研究室は，SDアレイの設置・調整作業に携わったほか，装置の特性測定，性能評価のためのシミュレーション計算を担当した．
一方，FDは3ステーション合計38台の望遠鏡の設置が完了し，定常観測を開始した．
本研究室は，昨年度，主に装置制御・データ取得プログラムの開発に携わった．

教育・研究業績
学術 論文

28

1.
2.
3.

"Trigger system for the TA fluorescence detector", Y. Tameda, et al., Physica E:
Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol.40/2, pp.430-433(2007)"Telescope Array Experiment", H. Kawai, et al., Nuclear Physics B (Proc. Suppl.), Vol.175-176,
pp.221-226(2008)"Study on nuclear composition of cosmic rays around the knee utilizing muon multiplicity with
GRAPES-3 experiment at Ooty ", H. Tanaka, et al., Nuclear Physics B (Proc. Suppl.),Vol.175-176, pp.280-285(2008)

国際 会議 講 演
1. 荻尾 彰一：”TA-FD status and first observation”，第30回宇宙線国際会議，2007年7月（メキシコ・メリダ）2. 大嶋 晃敏：”Search for point sources of gamma rays using GRAPES-3 experiment”， 第30回
宇宙線国際会議，2007年7月（メキシコ・メリダ）
3. 大嶋 晃敏：”Angular resolution of GRAPES-3 array obtained from the shadow of the Moon and
the Sun in extensive air showers”， 第30回宇宙線国際会議，2007年7月（メキシコ・メリダ）学会 ・研 究 会講 演
1. 大嶋 晃敏：「Ooty空気シャワー実験23（ガンマ線点源探索）」日本物理学会 2007年第６２回年次大会 北海道大学
2. 荻尾 彰一：招待講演「北半球における観測―Telescope Array実験の現状」シンポジウム：
超高エネルギー宇宙線観測の新たな展開，日本物理学会 2007年第６２回年次大会 北海道大学
3. 奥田 剛司：「テレスコープアレイ実験134：地表粒子検出器アレイの性能評価」日本物理学会 2007年第６２回年次大会 北海道大学
4. 小島 浩司：「大面積高精度muon望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究（７）」日本物理学会 2007年第６２回年次大会 北海道大学
5. 大嶋 晃敏：「Ooty空気シャワー実験24（ガンマ線点源探索）」日本物理学会 2008年第６３回年次大会 近畿大学
6. 南野真容子：「Ooty空気シャワー実験25（PMTリニアリテイ測定装置の開発と性能評価）」
日本物理学会 2008年第６３回年次大会 近畿大学
7. 小島 浩司：「GRAPE-3-明野観測所間でのミューオン望遠鏡による宇宙線強度変動の同時観測（２）」日本物理学会 2008年第６３回年次大会 近畿大学

学位論文
博士 論文
1. 大嶋 晃敏：「GRAPES-3空気シャワーアレイによる高エネルギーガンマ線天体の観測」
学士 卒業 論 文
1. 藤井 俊博：「最高エネルギー宇宙線観測用地表検出器のシミュレーションによる性能評
価」

研究助成金取得状況
1. 荻尾 彰一：文部科学省・特定領域研究基盤研究「地表検出器の開発とＡＧＡＳＡ検出器による較正」 140万円
2. 荻尾 彰一：東京大学宇宙線研究所 共同利用費「宇宙線望遠鏡実験用セグメント鏡の較正」 140万円
3. 林 嘉夫：東京大学宇宙線研究所 共同利用費「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」 45万円

29

海外出張および海外研修
1. 荻尾 彰一：メキシコ・メリダ，2007年 7月2日〜2007年 7月13日，第30回宇宙線国際会議での講演
2. 大嶋 晃敏：メキシコ・メリダ，2007年 7月2日〜2007年 7月13日，第30回宇宙線国際会議での講演
3. 奥田 剛司：アメリカ・ユタ州，2008年 1月28日〜2008年3月16日，テレスコープアレイの建設
4. 奥田 剛司：アメリカ・ユタ州，2007年 10月1日〜2007年12月26日，テレスコープアレイの建設
5. 奥田 剛司：アメリカ・ユタ州，2007年 7月25日〜2007年9月17日，テレスコープアレイの建設
6. 奥田 剛司：アメリカ・ユタ州，2007年 4月13日〜2007年7月5日，テレスコープアレイの建設
7. 林 嘉夫：インド・タタ基礎研究所，2007年8月8日〜2007年8月28日，空気シャワー観測による超高エネルギーガンマ線源と宇宙線化学組成の研究
8. 南野真容子：インド・タタ基礎研究所，2007年8月8日〜2007年12月25日，空気シャワー
観測による超高エネルギーガンマ線源と宇宙線化学組成の研究

その他
1.
2.
3.
4.
5.

荻尾 彰一：宇宙線研究者会議 実行委員
荻尾 彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究実施専門委員
荻尾 彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究査定委員
荻尾 彰一：日本物理学会 代議員
荻尾 彰一：大阪大学核物理研究センター研究計画検討専門委員

30

高エネルギー物理学研究室
奥沢 徹 教授
清矢 良浩 准教授
山本 和弘 講師

脇坂 隆之 (D2)
濱口 敦成 (M2)前田 圭介 (M2)篠原 奈央 (B4)田代 一晃 (B4)吉田 美奈 (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（奥沢，清矢，山本，脇坂，濱口，吉田）日米科学技術協力事業の一環として行われている米国フェルミ国立加速器研究所の陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用型素粒子検出器CDFを用いた実験を継続遂行した．
本年度も，世界最高重心系衝突エネルギー1.96TeVでの「Run II」と呼ばれるデータ収集作業
が，シフト体制のもと，24時間・無休で順調に行われている．加速器ビーム強度は安定して1032 cm−2/sec（例えば，弱い相互作用の媒介粒子であるWボソンを毎秒平均2個生成できる）を超えており，2008年3月には
3.15×1032 cm−2/secを達成するなど，陽子・反陽子衝突型加速器としての世界記録を随時更新している．積分ルミノシティも2008年3月現在で約3500 pb−1となり，この内，磁気テープに保存され，データ解析に使用可能な分が約3000 pb−1まで蓄積された (図1)．
研究内容は大別して，強い相互作用・電弱相互作用・B中間子等フレーバー物理・ト
図1：CDFにおける積分ルミノシティ．
ップクォーク・新現象探索であるが，本年度も続々と新しい結果を得ている．特に，
当研究室が直接行っている中性ヒッグス粒子探索研究の最新結果がCDF実験グループの内部審査を経て公表された．解析に使用されたデータは約1900 pb−1である．我々が着目している反応過程は

pp → W ± h0 → W ± (W ∗+W ∗− ) → ± ± + Xと表され，ヒッグス粒子（ h0 ）の生成と崩壊には W ボソンとの結合のみが関与する．
終状態としては， W ボソンのレプトン崩壊からの電子あるいはμ粒子を2つ含み，かつそれらが同符号の電荷を持つものを選択している．これは，陽子・反陽子衝突等のいわゆるハドロン衝突事象においてはレプト
ンの存在，さらに2つのレプトンの同符号条件が背景事象を抑えるために有効だからである．さて，この様な反応過程は，素粒子物理学の標準模型においてはヒッグス粒子の質量が130 GeV/c 2 以上と比較的重い場合に有効になる．軽い場合は， h0 → bb のよ
うに，b クォーク・反 b クォーク対への崩壊

31

図2：実験で得られた中性ヒッグス粒子生成断面積の上限値（黒点）と理論計算（ピンクと青の曲線）．ピンクはヒッグス粒子とフェルミオンが結合しない場合（fermiophobic higgs），青は標準模型の場合の生成断面積（SM higgs）．

が主要なモードになり， h0 → W ∗+W ∗− は感度を失う．しかし，ヒッグス粒子がフェルミオン
と結合しない場合（fermiophobic）には h0 → bb は禁止されるため状況は一変し，広い質量領域での探索可能性が生まれる．この場合に期待されるヒッグス粒子生成事象数は，質量領域
110 ∼ 160 GeV / c 2 において 0.5 ∼ 0.2 である．一方，背景事象数の見積もりは 3.2 ± 0.7 であり，SN比は1/6から1/15となっている．発見のためにはこれらのSN比は決して満足できるものではないが，それでもCDFヒッグス粒子探索研究の中ではトップクラスである．データを見てみると，観測された事象数は 3 であり背景事象数と矛盾しない．これからヒッグス粒子生成断
面積の上限値を求めると図2のようになる．ちなみに，図に示された断面積から同符号2レプ
トン終状態への分岐比は約3%である．断面積の上限値は理論予想の上にあり，理論に制限を与えてはいない．今回の解析では，増大したデータ統計量にもとづいた，背景事象とヒッグ
ス粒子検出効率のより詳細な理解に重点をおいた．今後はさらなるデータ収集は無論，研究の焦点はSN比の改善に移っていく．
当研究室が手がけているもう1つの解析は，fermiophobic higgsをより前面に出している．
これは Two Higgs-Doublet Model (2HDM) Type-I と呼ばれるモデルに現れる中性ヒッグス粒子（ h0f ）の探索研究であり，pp → H + h 0f → W ∗+ h 0f h 0f → 4γ + Xという生成崩壊過程によって終状態に4つの γ が現れる極めて特徴的なモードを用いている．
こちらの解析も，本年度は背景事象の評価方法の検討を中心に進められた．詳細は修士論文1を参照して頂きたい．
次に，CDF実験のその他の研究結果の中か
らいくつか紹介する．フレーバー物理では，(d , s, b) の3つのクォークで構成される新しい重粒子（陽子・中性子の仲間）Ξb− が発見された．
図2に見えるピークは Ξb− 粒子の崩壊モード

Ξb− → J /ψ + Ξ − → ( μ + μ − ) + (Λ 0π − )を用いて再構成された Ξb− 粒子の静止質量を表しており，信号存在の統計的有意性は 7σ を大きく超えている．得られた質量は，m(Ξb− ) = 5792.9 ± 2.4(stat.) ± 1.7(syst.) MeV/c 2

図3： J /ψ Ξ − の不変質量分布．

となっている．
電弱相互作用の研究では，中性カレント反応の媒介粒子である Z 0 ボソンの2重生成を初めて観測した．標準模型において電弱相互作用は非アーベルゲージ理論として定式化され，その帰結として相互作用媒介粒子の自己結合を予言する．これらの結合はゲージボソンの多重生成として観測され，その実験的検証はゲージ理論の正当性の直接的な証明といえる．今回は，pp → Z 0 Z 0 → ( + − )( + − ) ， pp → Z 0 Z 0 → ( + − )(νν )という2つのモードを用いて探索した．その結果，背景事象数 0.1 の予想に対し 3 事象が観測され，統計的有意性は 4.4σ である．観測結果から求められた生成断面積は

32

0.7
σ ( pp → Z 0 Z 0 ) = 1.4+−0.6pbであり，標準模型の予想1.4 ± 0.1 pb と矛盾しない．
ヒッグス粒子探索研究以外の新現象探索研究については，荷電および中性超対称性粒子探索を紹介する．超対称性は，素粒子物理学において認識された，フェルミオンとボソンを結びつける新たな対称性であり，その存在は大多数の素粒子物理学者が信じている．
探索モードはpp → χ1± χ 20 → ( ±νχ10 )( + − χ10 )と表され，終状態にレプトンを3つ含む事象である．2000 pb−1のデータを用いて解析した結果，背景事象数の期待値 6.4 ± 1.2 に対して 7 事
象を観測し，背景事象と矛盾がないことが解った．この事実から得られた生成断面積上限値は図4に示すとおりであり，ある特定の理論的
パラメ ータにお いて荷電超対称性粒子の質量は 145 GeV / c 2 よりも重くな ければなら ないことを示している．

図4：荷電超対称性粒子生成断面積の上限値（黒線）と理論予想（赤線）．

2. ν μ -ν τ 振動実験（奥沢）
スイス・ジュネーブにある欧州共同利用原子核研究所(CERN)で行った νμ -ντ 振動実験
CHORUSの解析もほぼ終了しつつある．この実験は，ニュートリノの質量の有無を調べることを主目的としている．今年度には，学術論文の26番目にも挙げたように，CHORUS実験の本来の目的としてきたことに関する最終結果を発表した．従って，やり残した解析は継続す
るにしても最終段階となった．

3. 長基線ニュートリノ振動実験（奥沢，清矢，山本，前田）
J-PARC（茨城県東海村）からスーパーカミオカンデ（岐阜県飛騨市）に向けて大強度の人工ニュートリノを打ち込み，その間295kmにおけるニュートリノのフレーバー振動現象を測定する実験T2Kの準備が，2009年4月の開始を目指して進められている．振動現象の測定は，J-PARCで生成したニュートリノの数と，スーパーカミオカンデで観測したニュートリノ反応
事象数との比較によって行うが，その信頼性を保証するために，J-PARCで生成されたニュートリノの数と方向を高精度で測定する必要がある．そのために，T2K実験ではπ + → μ +νμ によってニュートリノと同時に生成されるμ粒子を，J-PARCの敷地内で測定する．このμ粒子のモニター(ミューオンモニター)で使用する平行平板型板イオンチェンバーとCVDダイヤモン
ド検出器のテストを，京都大学化学研究所の電子線形加速器を用いて行った．J-PARCにおいてミューオンチェンバーが受ける照射量と同じ強度の電子ビームを入射させ，検出器の出力
パルスの線形応答性を調べたところ，両検出器とも良好な結果を得た．長時間の出力安定性のテストでは，CVDダイヤモンド検出器において安定に到達するまでの時間が長く，その挙動に個体差があるなど多少難が見られたが，これは多結晶構造による境界面の効果と考えられる．今後は，これらの問題が無いと期待される単結晶のCVDダイヤモンドを用いて研究を進める予定である．

33

教育・研究業績
学術論文
1.

C. J. Yoon, K. Yamamoto et al.: “Search for the H -dibaryon resonance in 12 C( K − , K + ΛΛX ) ”, Phys.
Rev. D 75, 022201(R) (2007).

2.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement ofσ Λ0 / σ B 0 × B(Λb0 → Λ c+π − ) / B( B 0 → D +π − ) in pp Collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett.
b98, 122002 (2007).
3.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of σ ( pp → Z ) ⋅ B( Z → ττ )in pp collisions at

s = 1.96 TeV ”, Phys. Rev. D 75, 092004 (2007).

4.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the top-quark mass using
missing ET + jets events with secondary vertex b -tagging at CDF II”, Phys. Rev. D 75, 111103(R)(2007).

5.

A. Kayis-Topaksu, T. Okusawa et al.: “Charged-particle multiplicities in charged-current neutrinoand anti-neutrino-nucleus interaction”, Euro. Phys. J. C 51, 775 (2007).

6.

T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Observation and Mass Measurement of the
Baryon Ξb− ”, Phys. Rev. Lett. 99, 052002 (2007).

7.

T. Watanabe, K. Yamamoto et al.: “First observation of the ΣN decay of the S = −2 system”, Euro.
Phys. J. A 33, 265 (2007).

8.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for Heavy Long-Lived Particles
that Decay to Photons at CDF II”, Phys. Rev. Lett. 99, 121801 (2007).

9.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Polarizations of J /ψ and ψ (2S )Mesons Produced in pp Collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 99, 132001 (2007).

10. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for new particles leading to
Z + jets final states in pp collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 76, 072006 (2007).
11. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the pp → tt production
cross section and the top quark mass at s = 1.96 TeV in the all-hadronic decay mode”, Phys. Rev. D
76, 072009 (2007).
12. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Searches of direct pair production ofsupersymmetric top and supersymmetric bottom quarks in pp collisions at s = 1.96 TeV”, Phys.
Rev. D 76, 072010 (2007).
13. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “First Measurement of the W -Boson Massin Run II of the Tevatron”, Phys. Rev. Lett. 99, 151801 (2007).
14. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for High-Mass Diphoton States andLimits on Randall-Sundrum Gravitons at CDF”, Phys. Rev. Lett. 99, 171801 (2007).
15. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for New Physics in High-Mass
Electron-Positron Events in pp Collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 99, 171802 (2007).
16. A. Kayis-Topaksu, T. Okusawa et al.: “Associated charm production in neutrino-nucleus interactions”,
Euro. Phys. J. C 52, 543 (2007).
17. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Precise Measurement of the Top-Quark
Mass in the Lepton+Jets Topology at CDF II”, Phys. Rev. Lett. 99, 182002(2007).
18. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for Chargino-Neutralino Productionin pp Collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 99, 191806 (2007).

34

19. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Observation of the Heavy Baryons Σb andΣ∗b ”, Phys. Rev. Lett. 99, 202001 (2007).
20. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Measurements of inclusive
W and Z cross sections in pp collisions at s = 1.96 TeV”, J. Phys. G 34, 2457 (2007).
21. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Limits on anomalous triple gauge couplings
in pp collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 76, 111103(R) (2007).
22. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for Exclusive γγ Production in
Hadron-Hadron Collisions”, Phys. Rev. Lett 99, 242002 (2007).
23. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the crosssection for W -boson production in association with jets in pp collisions at s = 1.96 TeV”, Phys.
Rev. D 77, 011108(R) (2008).
24. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “First Observation of the
Decay Bs0 → Ds− Ds+ and Measurement of Its Branching Ratio”, Phys. Rev. Lett. 100, 021803 (2008).
25. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Search for Standard Model
Higgs Bosons Produced in Association with W Bosons”, Phys. Rev. Lett. 100, 041801 (2008).
26. E. Eskut, T. Okusawa et al.: “Final results on νμ →ντ oscillation from the CHORUS experiment”,
Nucl. Phys. B793:326-343 (2008).
27. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Cross-Section-Constrained
Top-Quark Mass Measurement from Dilepton Events at the Tevatron”, Phys. Rev. Lett. 100, 062005(2008).
28. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Direct Measurement of the
W Boson Width in pp Collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 100, 071801 (2008).
29. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Observation of Orbitally
Excited Bs Mesons”, Phys. Rev. Lett. 100, 082001 (2008).
30. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Limits on the production of
narrow tt resonances in pp collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 77, 051102(R) (2008).
31. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Search forchargino-neutralino production in pp collisions at s = 1.96 TeV with high- pT leptons”, Phys.
Rev. D 77, 052002 (2008).
32. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Observation of exclusive dijet
production at the Fermilab Tevatron pp collider”, Phys. Rev. D 77, 052004 (2008).
33. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “First Measurement of W
Boson Production in Association with a Single Charm Quark in pp Collisions at
Phys. Rev. Lett. 100, 091803 (2008).

s = 1.96 TeV”,

34. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Search for Bs0 → μ + μ − andB0 → μ + μ − Decays with 2 fb−1 of pp Collisions”, Phys. Rev. Lett. 100, 101802 (2008).
35. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Measurement of Inclusive Jet
Cross Sections in Z / γ ∗ (→ e+ e− ) + jets Production in pp Collisions at s = 1.96 TeV”, Phys. Rev.
Lett. 100, 102001 (2008).
36. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Evidence for D0 -D0 Mixing
Using the CDF II Detector”, Phys. Rev. Lett. 100, 121802 (2008).

35

37. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al.: “Measurement of Lifetime andDecay-Width Difference in Bs0 → J /ψφ Decays”, Phys. Rev. Lett. 100, 1218031 (2008).
学会・研究会講演
1. 山本 和弘：「Heavy Hadron Studies at the Tevatron」(招待講演) 研究会‐Challenge to New
Exotic Hadrons with Heavy Quarks，2007年7月7日～8日，大阪大学核物理研究センター

学位論文
修士論文
1. 濱口
2.

敦成：「 pp → H ± h f → 4γ + X による fermiophobic higgs 粒子の探索」

前田 圭介：「T2K長基線ニュートリノ振動実験ミューオンモニターにおけるCVDダイヤモ
ンド検出器の研究」

研究助成金取得状況
1. 日米科学協力事業費

300万円

海外出張および海外研修
1.
2.
3.

清矢 良浩：米国フェルミ国立加速器研究所，2007年8月9日～9月9日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF
清矢 良浩：米国フェルミ国立加速器研究所，2007年12月1日～2008年1月7日，陽子・反陽子
衝突型加速器を用いる実験CDF
清矢 良浩：米国フェルミ国立加速器研究所，2008年3月1日～4月6日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF

36

重力波実験物理学研究室
神田 展行
阿久津朋美
徳田充
山岸彰伍
上地舜

教授
(D3 特別研究学生 (東京大学))
(M2)
(M1)
(M1)

研究概要
本研究室では国立天文台 TAMA300、東大宇宙線研究所との LCGT および CLIO 実験、天文台、宇宙科学研究所ほかを中心とした DECIGO 実験に参加している。主たる研究は、天体からの重力波検出を目的としたデータ解析である。

1. PSR J0835-4510 起源の連続重力波探査 （阿久津）
パルサー (PSR J0835-4510) は Vela パルサーとして知られるもので、地球からの距離は 250500pc 程度と近いものである。またその周期は約 11.2 Hz と長い方である。重力波の周期はパルサー周期の２倍 ∼22Hz で予想される。スピンダウンレートから最大に可能な重力波の振幅は h0 ∼ 4.9 × 10−24 である。この振幅は既知のパルサーの予測では大きいほうであり、現在の重力波検出器にとって探索対象になりうるが、この低い周期付近では地面振動雑音による制限が大きい。
神岡鉱山内の地下サイトで稼働している低温鏡干渉計型重力波検出器 CLIO は、基線長 100mのレーザー干渉計である。地下サイトの地面振動環境がすぐれており、この周波数帯域では米国の LIGO や伊・仏の VIRGO に負けない変位雑音スペクトルを達成している（図 1）。この研究では、2007 年 2 月 12-28 日の観測データを用いて、Vela パルサーからの連続重力波を探索した。
パルサーからの重力波は連続波である。パルサーが完全な軸対象でなく質量４重極モーメン
トをもてば、パルサー自転周波数の２倍の周波数の重力波を放射する。放射する重力波は正弦波であるが、地球上に固定した検出器との相対速度変化（地球の時点、公転、および恒星の固有運動）によるドップラー効果のため、観測される周波数は変化する。また検出器の重力波に対する応答は入射方向に依存するが、やはり地球の自転等により検出器から見込むパルサーの方向が変化するため、観測される重力波の振幅も変化する。パルサーの位置が既知であるから、これらは事前に計算することが可能である。観測データの解析は、こうして予測される周波数および振幅変化の波形付近を探索する。
解析の結果、Vela パルサー起源の重力波について、観測上限値 h0(U.L.) = 5.3 × 10−20 （信頼度 99.4%）を得た。この値は、2007 年 12 月の時点では、検出実験によって与えられた観測上限値としては世界で最も優れた値であり、CLIO 検出器の低周波数帯域でのすぐれた性能を示した。

2. DECIGO における連星合体信号の抽出シミュレーション（徳田）DECIGO (DECi-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory) は日本の将来計画として研究が進められている、宇宙空間レーザー干渉計型重力波検出器である。同様の計画
は米国における BBO (Big-Bang Observatory) 計画があり、天体起源の重力波のみならず、
宇宙初期起源の背景重力波などの宇宙論的起源の重力波の観測が一つの目的である。宇宙論的な波源からの重力波を検出するためには 10Hz 以下の低周波の重力波を狙うのが最も効果的である。低周波の重力波は位相変化がゆっくりとしているので、基線長を十分に長くとることにより効率的に光の伝搬時間の変化を増大させることができる。基線長を飛躍的に長くする最適な方法は宇宙空間を利用することである。スペース重力波アンテナは、地上検出器

37

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図 1: CLIO の感度スペクトル黒：デザイン感度、青：観測時、赤：ベスト感度（07 年）
なお、2008 年 6 月時点で、ベスト感度は赤線よりもさらに改良されている。

で低周波の感度を制限している地面振動の影響がないため、低周波帯の重力波検出には特に有利である。DECIGO は 0.1 ∼ 10Hz を中心に観測を行う。DECIGO の目標感度が達成できれば、複数の DECIGO のデータの相関解析を 3 年間行うことにより、ΩGW = 2 × 10−16という微弱な背景重力波を検出することも可能である。
しかし、この背景重力波の検出限界まで迫るためには、重なり合った膨大な数の連星中性子星起源の重力波信号が重なって大きなフォアグラウンドとなる問題が指摘されている。典型
的には、３年間のデータで 105 個程度の連星合体波形を同定して、それらの寄与を信号からクリーニングしなければならない。
我々は、DECIGO のデータをシミュレーションして、この波形クリーニング問題に挑戦した。
連星中性子星の合体波形は post-Newtonian 近似によって精度良く計算されているので、計算時間は必要であるが 105 個の波形を数値計算できる。長期（数年）にわたるシミュレー
ションには、軌道上の一変化により変わる DECIGO のアンテナ応答も必要である。（図 2）
また DECIGO 検出器の雑音はガウス雑音を用いた。

Matched ﬁltering 手法を使うことによって、データの中の連星中性子星信号を同定することができる。しかし、DECIGO 観測レンジ内の連星中性子星の数が膨大過ぎ、すべての波源に対して Matched ﬁlter を行うことは現在の計算機能力では困難なことが Cutler(2006) らによって指摘されている。そのため本研究では、比較的 S/N の大きい信号ならば時間-周波数領域 (Time-Frequency 面) において同定できる可能性に着目した。
（図 3）TF 面で S/N の大きい信号を同定し、同定できた連星中性子星について Matched ﬁlter をかけ連星の質量パラメータを決定し、DECIGO 信号から抽出できることを数値シミュレーションすることで確かめた。 積分時間 107 [sec] の Matched ﬁlter をすることにより、質量パラメータを 10−7 %の精度で決定し、ある１時間の DECIGO 信号から過去３年間に合体した連星中性子星の信号を典型的なな抽出条件で抽出した。この結果、h = 1.0 × 10−24 (@3Hz) まで連星中性子星
信号ノイズをクリーニングできた。クリーニング後のスペクトルを図 4 に示す。
3. 複数台検出器のコヒーレント検出についての基礎研究（日印交流）（神田）

38

5250

図 2: 天球上における１台の DECIGO のアン
テナ応答
白い部分がもっとも応答の大きい方向。時間経過に従い、この方向は変化してゆく。
横軸：赤経、縦軸：赤緯。

11884

time[sec]

19532

図 3: 時間ー周波数平面に展開した中性子連星合体波形

図 4: DECIGO シミュレーションデータのスペクトル黒はデザイン感度曲線。それぞれのカラーは、連星波形クリーニングの程度（地球からどこまでの距離内にある連星をクリーニングしたか）を示す。数値シミュレーションによるもの（左図）と、わかりやすくノイズレベルを描いたもの（右図）。

39

インド IUCAA (Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics) との研究交流プ
ログラムでの研究である。
この課題は、複数台の検出器を用いた場合の２つの代表的な解析であるコヒーレント法とコインシデンス法を比較することであった。2007 年度における共同研究では、複数台検出器の配置を、同じ観測場所から、地球上の離れた２点の場合に拡張した。これは、日本の重力波検出器と海外のそれの組み合わせを検討することであり、いわゆる「三角測量」を想定している。理論的枠組みの構築と、数値シミュレーションによる計算によって、コヒーレン
ス解析法が、全天に対してより優れた検出効率（ないし同じ検出効率のさいの誤信号の少なさ）を得られることがわかった。成果については、同じ観測場所の場合の研究結果が学術雑誌 (PHYSICAL REVIEW D 75, 087306 (2007)) 掲載された。また、離れた２点に拡張した
場合についても論文は準備中であり、近日中に投稿予定である。

4. レーザー干渉計将来計画 LCGT（神田）
前年度までにひきつづき、日本の重力波実験の将来計画である LCGT について、計画準備をおこなっている。 LCGT は、低温サファイア鏡を特徴として、神岡鉱山の地下に 3kmのレーザー干渉計を建設する計画である。

5. ウェーブレットを用いたバースト重力波の探索（山岸）ウェーブレット (Wavelet) は時系列信号を時間ー周波数に用いられる。前年度 (2006) の本多の研究では、バースト重力波の探索解析のために時間ー周波数平面への展開をおこなったが、この際に SFFT 法をもちいた。この研究では、さらにウェーブレット法を餅色ことで、いくつかの改良を試みる。

SFFT が、処理する時系列単位で、時間と周波数の分解能が一様に決まるのに対して、離散ウェーブレット変換では周波数分解能と時間分解能の積が一定になる。そのため、高周波数ではより優れた時間分解能が、低周波数では周波数分解能が改良する。このことを利用して、離散ウェーブレット変換をもちいて、バースト重力波のクラスターを同定することを研究した。
また本研究では TAMA 検出器の実機データを使用したが、実データに含まれるスパイク状の非定常雑音とバースト重力波波形を効率よく選別するため、クラスターの形状をあらわす
パラメーターを導入し、尤度関数をもちいての弁別を試みている。

6. 干渉計データの基礎研究（上地）マイケルソン干渉計システムを組み、干渉計動作の仕組み、ロックの電子回路等について学んだ。また実機のデータを測定／記録し、スペクトル計算等の一連の処理を行った。

教育・研究業績
学術論文1. ”Current status of Japanese detectors”,
Daisuke Tatsumi, Ryutaro Takahashi, Koji Arai, Noriyasu Nakagawa, Kazuhiro Agatsuma,
Toshitaka Yamazaki, Mitsuhiro Fukushima, Masa-Katsu Fujimoto, Akiteru Takamori,
Alessandro Bertolini, Virginio Sannibale, Riccardo DeSalvo, Szabolcs Márka, Masaki Ando,
Kimio Tsubono, Tomomi Akutsu, Kazuhiro Yamamoto, Hideki Ishitsuka, Takashi Uchiyama,
Shinji Miyoki, Masatake Ohashi, Kazuaki Kuroda, Norichika Awaya, Nobuyuki Kanda,
Akito Araya, Souichi Telada, Takayuki Tomaru, Tomiyoshi Haruyama, Akira Yamamoto,Nobuaki Sato, Toshitaka Suzuki and Takakazu Shintomi,
Class. Quantum Grav. 24 No 19 (7 October 2007) S399-S403

40

2. ”A systematical veto by all monitor signals in a gravitational-wave detector”,
Koji Ishidoshiro, Masaki Ando, Kimio Tsubono, Nobuyuki Kanda, Hirotaka Takahashi,Classical Quantum Gravity, 24 S405, (2007).
3. Detecting gravitational waves from inspiraling binaries with a network of detectors: Coherent strategies for correlated detectors,
Hideyuki Tagoshi, Himan Mukhopadhyay, Sanjeev Dhurandhar, Norichika Sago, Hirotaka
Takahashi, and Nobuyuki Kanda,
Phys. Rev. D 75, 087306 (2007)

学会・研究会講演
1. 神田展行 ”Status of the Japanese detectors” 12nd Gravitational Waves Data Analysis
Workshop（重力波源データ解析国際会議, 第 12 回）2007 年 12 月 MIT（ボストン、米国）
2. 阿久津朋美 ”Search for continuous gravitational waves from PSR J 0835-4510 (Vela) using
the ﬁrst observational data from the CLIO (Cryogenic Laser Interferometric Observatory)”
12nd Gravitational Waves Data Analysis Workshop（重力波源データ解析国際会議, 第12 回）2007 年 12 月 MIT（ボストン、米国）
3. 神田展行 ”Time-Freq Clustering for Burst GW search in TAMA300 data” 12nd Gravitational Waves Data Analysis Workshop（重力波源データ解析国際会議, 第 12 回）2007 年
12 月 MIT（ボストン、米国）
4. 神田展行 DECIGO データチャレンジ I（シミュレーション）日本物理学会
大会 北海道大学
5. 徳田充 DECIGO データチャレンジ II（連星合体波形）日本物理学会
北海道大学

2007 年秋季

2007 年秋季大会

6. 山岸彰伍 「TAMA300 におけるウェーブレットによるバースト重力波の探索方法」日本物理学会 2008 年春季大会 近畿大学
7. 徳田充 (代理登壇：神田展行)「DECIGO データチャレンジ III：合体時の情報にもとづく連星合体波形のクリーニング」日本物理学会 2008 年春季大会 近畿大学
註：上記は登壇者が当研究室のものに限る。

学位論文
1. 阿久津朋美（東京大学）：「PSR J0835-4510 起源の連続重力波探査」

修士論文
1. 徳田充：「宇宙空間レーザー干渉計型重力波検出器 DECIGO における連星合体信号の抽出
シミュレーション」

研究助成金取得状況
1. 神田展行：日本学術振興会 H19 年度 二国間交流事業共同研究／セミナーによる研究交流41

海外出張および海外研修
1. 神田展行：米国 ボストン市 マサチューセッツ工科大学
回重力波データ解析国際会議 発表・座長

2007 年 12 月 12 − 18 日、第 12

2. 神田展行：インド プネ市 IUCAA(天文・天体物理大学共同センター)
29 日、二国間交流事業共同研究

2008 年 2 月 22 −

その他
研究会主催
1. 会議名:「高エネルギー天体現象と重力波」研究会
期間:2007 年 11 月 15-17 日
参加登録数:約 80 名 於： 東京大学（本郷）プログラム委員長

海外研究者訪問／招聘
1. Prof. Sanjeev V Dhurandhar (ICUAA, 印) : 学術振興会二国間交流事業共同研究により来日 2008/3/17-31

公開活動
1. 「アインシュタイン LOVE」企画展、シンポジウム協力
期間:2007 年 8 月 2-12 日

42

宇宙・素粒子実験物理学研究室
寺本 吉輝
中野 英一

中川真介 (M2)中山雅央 (M2)
前田達矢
(M1)
杉本匡
(B4)

准教授
助教

研究概要
1.

KEK Bファクトリー加速器による素粒子実験（Belle）（寺本, 中野）高エネルギー加速器研究機構の Belle 実験装置を用いて国際共同実験を行っている.
Belle 実験装置は, Bファクトリー加速器を用いて, 電子・陽電子反応によるB 中間子を大量生産して, CPの破れの検証やB 中間子の崩壊の測定などを行う目的の装置である. 建設に置いて, 我々は高抵抗板素粒子検出器 (RPC) を用いた KL0・ミュー粒子検出器を東北大学などと共同で担当した. データ解析に関しては, 主に荷電粒子の飛跡解析とミュー粒子の同定を担当している．2008年度の物理解析は，荷電B中間子の純レプトニック崩
壊の探索を行った．この崩壊過程の上限値は、Belle実験グループが2006年度に更新したが未だ発見には至っていない．

2.

平行板型素粒子検出器の研究開発（寺本, 中野, 前田）
高抵抗板素粒子検出器（RPC）は平行な高抵抗板の間にガスを入れ，高抵抗板に8〜10kV程度の電圧をかけることにより, 荷電を持つ素粒子がこれを通過して時, その位置と時間を測定できる装置である． 2007年には２次元方向の位置読み出しを目指したチェン
バーを製作した．

3.

ネットワーク型宇宙線観測装置を使った宇宙線観測（寺本, 中野, 中山）
都道府県にまたがって時間相関を持って到来する宇宙線を観測するために,宇宙線の到来時間を GPS を用いてマイクロ秒の精度で決定でき, インターネットを用いてデータをリアルタイムに交換できる簡易型空気シャワー観測装置「宇宙線ステーション」を開発し, 高校や科学館などに配備し大規模な観測網を構築する計画を 1999 年から始めている. 2007年度も前年に引き続き計7台で観測を行なった.到来方向のほぼ等しいイベ
ントについて時間相関を測定したが今までのところ統計的な揺らぎの範囲を越えた明確な現象は見られない.

4.

Micro Pattern Gas Detector の開発（中野）
薄型で2次元読み出しを行えるガス測定器の１つであるGEMの他分野への応用を図る目
的で高エネルギー加速器研究機構、佐賀大学、東京理科大学と共同開発を行っている.2007年度は中性子検出器としての性能の最適化及び新しい読み出し系の開発を行った.

5.

Belle CDC のアップグレードの準備研究（中野）近い将来に計画されている KEKB加速器の増強に対応するため、Belle測定器の飛跡検出器のアップグレードの検討を進めている.

教育・研究業績43

学術 論文1. S.-W. Lin, Y. Unno, W.-S. Hou, P. Chang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Difference
in direct CP violation between charged and neutral B meson decays”, Nature 452,
332 (2008)
2. I. Adachi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of the branching fraction
and charged asymmetry of the decay B+→D+D0bar and search for B0→D0 D0bar”, Phys.
Rev. D(R)77, 091101 (2008)
3. H. Sahoo, T.E. Browder, K. Trabelsi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurementsof time-dependent CP violation in B0→ψ(2S) Ks decays”, Phys. Rev. D(R)77, 091103(2008)
4. Y. Nishio, K. Inami, T. Ohshima, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for
lepton-flavor-violating τ→lV0 decays at Belle”, Phys. Lett. B644, 35 (2008)
5. K. Arinstein, S. Edelman, A. Kuzumin, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurementof the ratio B(D0→π+π- π0)/B( D0→K-π+π0) and the time-integrated CP asymmetryin D0→π+π- π0”, Phys. Rev. Lett. 100, 121601 (2008)
6. Y. Nakahama, K. Sumisawa, E. Nakano, Y. Teramoto, et al: “Measurement ofTime-Dependent CP-Violating Parameters in B0 to KS0KS0”, Phys. Rev. Lett. 121601(2008)
7. K.-F. Chen, W.-S. Hou, M.Shapkin, A. Sokolov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of
anomalous Υ(1S)π+π- and Υ(2S)π+π- production near the Υ(5S) resonance”, Phys.
Rev. Lett. 100, 112001 (2008)
8. J. Wicht, E. Nakano, Y. Teramoto et al.: “Observation of BS to φγ and Search for BS to γγ
Decays at Belle”, Phys. Rev. Lett. 100, 121801 (2008)
9. D. Liventsev, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of B→D**lν with full reconstruction
tagging”, Phys. Rev. D77, 091503 (2008)
10. J. Wicht, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for Resonant B to K h to Kγγ
at Belle”, Phys. Lett. B662, 323 (2008)
11. A. Kusuka, C.C. Wang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of CP asymmetries
and branching fractions in a time-dependent Dalitz analysis of B0→(ρπ)0 and aconstraint on the quark mixing angle φ2”, Phys. Rev. D77, 072001 (2008)
12. S. –K. Choi, S. L. Olsen, E. Nakano, Y. Teramoto, et al: “Observation of a resonance-likestructure in the π ψʼ mass distribution in exclusive B→Kπ ψʼdecays”, Phys. Rev.
Lett. 100, 142001 (2008)
13. G. Pakhlova, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of the near-thresholde+e- →DD cross section using initial-state radiation”, Phys. Rev. D77, 011103(2008)
14. Y. Uchida, H. Ozaki, H. Kichimi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for B0bar
to ΛC+ΛC-bar at Belle”, Phys. Rev. D77, 051101(R) (2008)
15. P. Pakhlov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Production of new charmonium likestates in e+e-→J/ψD(*)D(*)bar at √s ∼ 10.6 GeV”, Phys. Rev. Lett. 100, 202001(2008)
16. V. Balagura, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of DS1(2536)+→D+ π-K+ andangular decomposition of DS1(2536)+→D*+KS0”, Phys. Rev. D77, 032001 (2008)
17. Y. Ushiroda, K. Sumisawa, N. Taniguchi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.:“Time-Dependent CP-Violating Asymmetry in B0→ρ0γ Decays”, Phys. Rev. Lett. 100,
021602 (2008)
18. C.Z. Yuan, C.P. Shen, P. Wang, X.L. Wang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.:“Observation of e+e-→K+ K-J/ψ via initial state radiation at Belle”, Phys. Rev.
D77, 011105(R) (2008)44

19. G. Pakhlova, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of ψ(4415)→DD2(2460)
decay using initial-state radiation”, Phys. Rev. Lett. 100, 062001 (2008)
20. S. E. Lee, K. Miyabayashi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Improved measurementof time-dependent CP violation B0→J/ψπ0 decays”Phys. Rev. D77, 071101(R)(2008)
21. O. Tajima, M. Hazumi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for the CP-violating
decays Υ(4S)→B0 B0bar→J/ψKS0+J/ψ(ηC) KS0”, Phys. Rev. Lett. 99, 211601 (2007)
22. X. L. Wang, C. Z. Yuan, C. P. Shen, P. Wang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.:“Observation of two resonant structures in e+e- →π+π-ψ(2S) via initial stateradiation at Belle”, Phys. Rev. Lett. 99, 142002 (2007)
23. J. Brozdicka, H. Palka, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of a new DSJ
meson in B+→D0bar D0K+ decays”, Phys. Rev. Lett. 100, 092001 (2008)
24. C.Z. Yuan, C. P. Shen, P. Wang, S. McOnie, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.:“Measurement of e+e-→π+π- J/ψ cross-section via Initial State Radiation at
Belle”, Phys. Rev. Lett. 99, 182004 (2007)
25. K. ‒ F. Chen, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for B→h(*)ννbar decays
at Belle”, Phys. Rev. Lett. 99, 221802 (2007)
26. J. ‒ T. Wei, M. ‒ Z. Wang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of the decay
mechanism for B+ to ppbarK+ and B+ to ppbarπ+ ”, Phys. Lett. B659, 80 (2008)
27. S. Uehara, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of charmonia in four-meson final
states produced in two-photon collisions”, Eur. Phys. Jour. C53, 1 (2008)
28. L. M. Zhang, Z. P. Zhang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of
D0D0bar→KS π+π- decays”, Phys. Rev. Lett. 99, 131803 (2007)
29. D. Epifanov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of τ→KSπ-ντ decay at Belle”,
Phys. Lett. B654, 65 (2007)
30. J. Dalscno, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of Branching Fraction
and Time-Dependent CP Asymmetry Parameters in B0→D*+D*-KS Decays”, Phys. Rev. D76,
072004 (2007)
31. Y. Chao, K. ‒ F. Chen, H. Miyake, O. Tajima, K. Trabelsi, E. Nakano, Y. Teramoto,et al.: “Measurements of time-dependent CP violation in B0→ωKS0,f0(980)KS0,KS0π0
and K+K-KS0 decays”, Phys. Rev. D76, 091103(R)(2007)
32. A. Somov, A. Schwartz, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Improved measurement ofCP-violating parameters in B→ρ+ ρ- decays”, Phys. Rev. D76, 011104 (2007)
33. T. Medvedeva, R. Chistov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation ofB0bar→DS0Λpbar decay”, Phys. Rev. D76, 051102 (2007)
34. M. ‒ Z. Wang, Y. ‒ J, Lee, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of B+ to pΛbarγ,
pΛbarπ0 and B0 to pΛbarπ-”, Phys. Rev. D76, 052004 (2007)
35. W. T. Chen, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “A study of γγ→KS０ KS0 production
at energies of 2.4 ‒ 4.0 GeV at Belle”, Phys. Lett. B651, 15 (2007)
36. T. Mori, S. Uehara, Y. Watanabe, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “High-statistics
measurement of the cross section of γγ→π+π- production”, JPSJ A76, 074102(2007)
37. Y. T. Tsai, P. Chang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for B0 →ppbar, ΛΛbar
and B+→pΛbar at Belle”, Phys. Rev. D75, 111101(R) (2007)
38. A. Drutskoy, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of exclusive BS0 decays
at the Υ(5S) resonance”, Phys. Rev, D75, 012002 (2007)
39. S. ‒ W. Lin, P. Chang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of Branching
Fractions for B→Kπ and B→ππ Decays with 449 million BBbar Pairs”, Phys. Rev.
Lett. 99, 121601 (2007)
40. A. Go, A. Bay, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of EPR-type flavor

45entanglement in Υ(4S)→B0B0bar decays”, Phys. Rev. Lett. 99, 131802 (2007)
41. M. Shapkin, K. Belous, A. Sokolov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurementof the mass of the τ lepton and an upper limit on the mass difference between τ+and τ-”, Phys. Rev. Lett. 99, 011801 (2007)
42. R. Mizuk, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Experimental Constraints on the Spinand Parity of the ΛC(2880)”, Phys. Rev. Lett. 98, 262001 (2007)
43. A. Kuzmin, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of B0bar→D0 π+π- decays”, Phys.
Rev. D76, 012006 (2007)
学会 ・研 究 会講 演
1. 中野英一ほか：「Belle KLM に対する中性子シールドの効果」日本物理学会
次大会 北海道大学
2. 中川真介ほか：「GEM を用いた中性子画像検出器の性能評価」日本物理学会
次大会 北海道大学
3. 中川真介ほか：「GEM を使用した中性子検出器の開発」：日 本中 性子 科学 会
会 九州 大 学

学位論文
修士 論文
1. 中川真介：「GEM を用いた中性子検出器の開発」
2. 中山雅央：「ネットワーク型宇宙線観測装置を用いた広域宇宙線現象の探索」

46

第 62 回年
第 62 回年
第 7 回年

素粒子論研究室
牲川 章

教授

乾 雅博 (D3)

幸山 浩章 (D3)研究概要
1. クォーク物質の磁性
物質の基本構成粒子であるクォークからなるクォーク物質は以下のような相構造を持つと考えられている：１）低温・低密度領域：ハドロン相、２）高温領域：クォーク・グルーオ
ンプラズマ相、３）低温・高密度領域：種々のカラー超伝導相。又、１）と３）の境界領域
では、ハドロン相とカラー超伝導相の混在する相があると考えられている。
これら諸相にあるクォーク物質の磁性を、クォーク物質が従う基礎理論である量子色力学の有効理論である「拡張された Nambu–Jona-Lasinio 模型」を用いて解析した。その結果、低温領域では強磁性相にあるという興味深い結果が得られたが、高温領域でも常磁性相に転移せず強磁性相に留まるという非物理的な結果を得た。この結果は「拡張された Nambu–
Jona-Lasinio 模型」は磁気的性質を正しく記述しない可能性があることを示唆しているという結論になった（学術論文１）。

2. 低次元時空間でのクォーク物質の相構造の研究
3 + 1 次元時空間の「拡張された Nambu–Jona-Lasinio 模型」に対応する低次元時空間の模型である「拡張された Gross-Neveu 模型」を用いて以下の研究を行った。
1) 2 + 1 次元時空間でのクォーク物質の相構造を解析した。クォークに関しては O(2, 1) の基本表現に属する（ 2 成分クォーク）場合について先ず解析した。数値解析により、予想どうり、上述のハドロン相、クォーク・グルーオンプラズマ相、カラー超伝導相が現れることが判明した。この理論に特徴的な結果として、ハドロン相とカラー超伝導相の境界領域では、両相が混在する相が現れないことが示された。この結果は、3 + 1 次
元時空間の場合には混在相が現れたという事実と大きく異なる特徴である（学術論文２）。更に、零温度では、混在相の非存在を解析的手法により証明した（学術論文３）。
次に、クォークに関しては O(2, 1) の４次元表現に属する（ 4 成分クォーク）場合について解析した。数値解析により、3 + 1 次元時空間の「拡張された Nambu-Jona-Lasinio
模型」の場合と同様に、ハドロン相、クォーク・グルーオンプラズマ相、カラー超伝導相が現れ、ハドロン相とカラー超伝導相の混在相も現れることがが判明した（学術論文４）。
2) 1 + 1 次元時空間でのクォーク物質の相構造を、クォークが O(1, 1) の基本表現に属す
る場合に解析した。数値解析の結果、「拡張された Nambu–Jona-Lasinio 模型」、及び
2 + 1 次元時空間の 4 成分クォークの場合の「拡張された Gross-Neveu 模型」の場合と同様の相構造を持つことが判明した（投稿準備中）。

教育・研究業績
著書
1. 牲川章：分担執筆「第７章 素粒子系の統計力学」、巨視的量子現象とコヒーレンス（畑徹
編 2008 ）pp. 195 - 217

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学術論文
1. M. Inui, H. Kohyama and A. Niégawa: “Ferromagnetism of two-flavor quark matter inchiral and/or color superconducting phases at zero and finite temperature”, hep arXiv:
0709.2204.
2. H. Kohyama: “Phase diagram of quark-antiquark and diquark condensates at finite temperature and density in the 3-dimensional Gross-Neveu model”, Phys. Rev. D 77 (2008)
045016.
3. A. Niégawa: “Absense of coexisting phase of quark-antiquark and diquark condensed
phases in the extended Gross-Neveu model in 2+1 dimensions”, Mod. Phys. Lett. A23(2008) 933.
4. H. Kohyama: “Phase diagram of quark-antiquark and diquark condensates in the 3dimensional Gross-Neveu model with the 4-component spinor representation”, Phys. Rev.
D 78 (2008) 014021.

国際会議講演
1. H. Kohyama: “Polarized quark matter in chiral-broken and/or color-superconducting
phases”, Second International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena”, Campus Port OSAKA, Dec. 14-16, 2007.

学会・研究会講演
1. 幸山浩章：「ダイクォーク凝縮を含む３次元 Gross-Neveu モデルの相図」基研研究会「熱場の量子論とその応用」 2007 年 9 月 5-7 日 京都大学［素粒子論研究 116 巻、2 号 (2008) ］
2. 幸山浩章：「３次元 Gross-Neveu モデルにおけるクォーク−反クォーク凝縮とダイクォーク凝縮の競合とその相図」日本物理学会年次大会（北海道大学） 2007 年 9 月 21-24 日
3. 幸山浩章：「ダイクォーク凝縮を含む２次元 Gross-Neveu モデルの相図」日本物理学会年次大会（近畿大学）2008 年 3 月 22-26 日

学位論文
博士論文
1. 乾雅博：“Statistical property of the quark-gluon plasma and the ferromagnetism of thedense quark matter”
2. 幸山浩章：“The phase diagram of quark-antiquark and diquark condensates at finite temperature and density in the 2 and 3-dimensional Gross Neveu model”

48

数理物理研究室
糸山浩司
安井幸則

教授
准教授

大田武志 (COE 研究所員)
木原裕充 (COE 上級研究所員)
河本祥一 (COE 上級研究所員)
藤原和人 (COE 研究所員)
吉岡礼治 (D3)
丸吉一暢 (D2)

須川龍航 (D1)
宝利 剛 (D1)
燈下将樹 (M2)
西田真人 (M2)藤井陽介 (M2)
湊 彰史 (M1)
森下 尚 (M1)研究概要
1. 超対称ゲージ理論の gluino condensation と prepotential の理論（糸山, 阪口, 丸吉）
まず前半では、前年度末に丸吉とともに行ったダイヤグラムによる一般的解析、小西 anomalyにもとづく Schwinger-Dyson 方程式の導出により、所謂藤原・糸山・阪口の FIS 模型においては、gluino condensate を変数とする eﬀective superpotential に対して、所謂 Dijkgraaf-Vafaの関係式が破れていることを我々は確信していた。5 月に出した第一論文では、ダイヤグラ
ム解析により確かに破れがあることを証明した。10 月に出した第二論文では この破れの関係式がパラメター m の任意の値でどう与えられるかを、厳密な関係式として S-D 方程式と Riemann 面の構造により導出した。ここ数年継続的に研究を行っている自発的部分的にSUSY が N = 2 から N = 1 へ破れる模型の研究に関しては、丸吉、阪口と協力して Quiver
ゲージ場が含まれる場合にこの模型を拡張することに成功した。
2. 刷新されたゲージ・重力対応（糸山, Mironov, Morozov）
Alday-Maldacena に始まる AdS minimal surface の問題を考察することにした。これもある
種の可積分系の変形問題である。学振短期招へいの 2ヶ月間を用いて、N 点振幅の近似解にかんする 2 本の論文を仕上げた。AdS 空間内を走る紐に対する Nambu-Goto 方程式は非線形であるが、それを線形化して得られるラプラス方程式の拡張 (Itoyama-Mironov-Morozov 方程式) を導出し、その解を構成した。Boundary ring と呼ばれる一連の多項式を導入し、Minimal
surface 問題への妥当性を論じた。 さらに本年度後半は、Itoyama-Mironov-Morozov の協
同研究を続けた。我々は上記非線型方程式の circle に対する厳密解を求めていた。この任意微小変形 (wavy circle) に対する極小局面の面積及び対応する BDS gluon 振幅は評価可能であることに気づいた。両者が、無限個の係数のうちわずかが食い違うゆえに合致しないことを示した。これは一種の anomaly である。
3. 行列模型の分配関数の計算と大分配関数 (木原, 糸山, 吉岡）
前年度に引き続き、行列模型の分配関数に関する研究を行った。本年度は行列の大きさ N に結合する化学ポテンシャルを導入し、それぞれのゲージ群に対する大分配関数について考察した。この大分配関数はある 2 次常微分方程式に従い、これを用いて行列の大きさ N の期待値を評価した。この結果は木原によって 1 編の論文としてまとめられた。また、オリエン
ティフォールデングを施した IIB 行列模型の分配関数の計算も試みたが、こちらは著しい成果を収めるには至っていない。
4. 光円錐ゲージにおける AdS5 × S5 上の超弦理論（糸山、大田、吉岡）
AdS5 × S 5 時空上の Green-Schwarz 超弦理論の量子化の問題について、一般化された光円
錐ゲージをとって研究を行った。一般化された光円錐ゲージでは、物理的自由度 (transverseモード) だけで理論を記述する。ハミルトン形式では、κ 対称性から生じるフェルミオン的拘束条件も含めてきちんと解析し、光円錐ゲージでの作用を決定した。
しかし、ハミルトン形式での量子化は、その作用の高度な非線形性により、解決すべき点が多い。そこで、量子化の第一歩として、Hofman-Maldacena 極限や Maldacena-Swanson 極49

限からの量子補正の問題を調べることにした。このためには、ハミルトン形式よりも通常のラグランジュ形式での記述の方が問題を取り扱いやすい。そこで、光円錐ゲージでの作用をラグランジュ形式で再定式化し、作用が Nambu-Goto 型となることを見出した。この研究は、吉岡の博士論文として結実した。

5. 高次元ブラックホール幾何学とコンパクト Einstein 空間 (安井, 大田, 宝利）
コンパクトな Einstein 多様体および特殊ホロノミー群を持つ Riemann 多様体の幾何学をブ
ラックホールの視点から研究することを目標とした. このような幾何学は物理的には, 高次
元のゲージインスタントンそして重力インスタントンと捕らえられるものであり, 超弦理論
や M 理論の最近の進展から予想される幾何学の新しい方向を探ろうとする問題意識と深く関わっている. 特に, コンパクトな Sasaki-Einstein 多様体に関しては, 重力理論/ゲージ理論
対応を使って超対称ゲージ理論の強結合領域を調べることができるため, 最近大きな注目を集めている.
1986 年 Myers-Perry によって発見された Ricci 平坦な D（D≥ 4) 次元 Kerr ブラックホール
解は, 2004 年 Gibbons-Lü-Page-Pope によって宇宙定数を持つ (Anti) de Sitter Kerr ブラックホールに一般化された. さらに, 2006 年 Chen-Lü-Pope は質量, 角運動量, 宇宙定数に加え NUT パラメーターを含む最も一般的と思われるブラックホール解を発見した. 我々は,Chen-Lü-Pope の発見したブラックホール解はコンフォーマル Killing-矢野テンソルが存在する唯一の時空であることを証明した.
6. Z3 対称性を持つ minimal string 理論における charged 境界状態（河本祥一、J. Wheater、
S. Wilshin(Univ. of Oxford)）
W3 ミニマルモデル CFT が 2 次元重力に結合した系の境界状態を調べた。共形場理論が、いわゆるミニマルモデルになる場合、理論は”minimal string” と呼ばれ、このときにはミニマ
ルモデルの境界条件として見た境界状態が縮退してしまうことがわかっている。我々の考えた上述の理論は Z3 対称性を導入した minimal model であるとみなすことが可能である。本
研究で我々は、まず上述の縮退がどのように起こるかの代数的な背景を明らかにし、さらにZ3 対称性を導入したモデルにおいても同様の縮退が見られ、最終的に可能な境界状態がこの対称性によって分類されることを示した。
7. AdS 空間中の超対称 Wilson loop 演算子に対する Master ﬁeld（河本祥一、黒木経秀 (KEK)、
三輪光嗣（東大駒場））
ゲージ理論において、Wilson loop はゲージ不変であるだけでなく、ゲージ理論の phase に対する order parameter になっているという点で重要な対象である。AdS/CFT 対応において Wilson loop は String 側では loop に端を持つ String 自身、もしくは D-brane としてあらわされる。本研究ではある高い表現に属する Wilson loop に対し、その固有値密度とよばれる量が、String 理論側の D-brane のどのような情報と対応しているかに関して、仔細に検討した。

教育・研究業績
学術論文
1. H. Itoyama, A. Mironov and A. Morozov, “Boundary Ring: a way to construct approximate NG solutions with polygon boundary conditions: I. Zn -symmetric conﬁgurations,”
arXiv:0712.0159 [hep-th].
2. H. Itoyama and A. Morozov, “Boundary Ring or a Way to Construct Approximate NG
Solutions with Polygon Boundary Conditions. II. Polygons which admit an inscribedcircle,” Prog. Theor. Phys. to appear, arXiv:0712.2316 [hep-th].
3. H. Itoyama, A. Mironov and A. Morozov, “’Anomaly’ in n=inﬁnity Alday-Maldacena
Duality for Wavy Circle,” JHEP to appear, arXiv:0803.1547 [hep-th].

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4. H. Itoyama and T. Oota, “The AdS5 ×S 5 superstrings in the generalized light-cone gauge,”
Prog. Theor. Phys. 117 (2007) 957-972, arXiv:hep-th/0610325.
5. H. Itoyama, H. Kihara and R. Yoshioka “Partition Functions of Reduced Matrix Models
with Classical Gauge Groups,” Nucl. Phys. B762 (2007) 285-300.
6. H. Itoyama, T. Oota and R. Yoshioka, “Nambu-Goto Like Action for the AdS5 × S 5
Superstrings in the Generalized Light-Cone Gauge,” Prog. Theor. Phys. 119 (2008)
323-338, arXiv:0801.2464[hep-th].
7. H. Itoyama and K. Maruyoshi, “Deformation of Dijkgraaf-Vafa Relation via Spontaneously
Broken N=2 Supersymmetry,” Phys. Lett. B 650 (2007) 298 [arXiv:0704.1060 [hep-th]].
8. H. Itoyama, K. Maruyoshi and M. Sakaguchi, “N=2 Quiver Gauge Model and Partial
Supersymmetry Breaking,” Nucl. Phys. B 794 (2008) 216 [arXiv:0709.3166 [hep-th]].
9. H. Itoyama and K. Maruyoshi, “Deformation of Dijkgraaf-Vafa Relation via Spontaneously
Broken N=2 Supersymmetry II,” Nucl. Phys. B 796 (2008) 246 [arXiv:0710.4377 [hep-th]].
10. T. Houri, T. Oota and Y. Yasui, “Closed conformal Killing-Yano tensor and Kerr-NUT-de
Sitter spacetime uniqueness ,” Phys. Lett. B656 (2007) 214-216, arXiv:0707.4039[hep-th].
11. T. Houri, T. Oota and Y. Yasui, “Closed conformal Killing-Yano tensor and geodesic
integrability ,” J. Phys. A41 (2008) 025204, arXiv:0708.1368[hep-th].
12. Y. Morisawa, S. Tomizawa and Y. Yasui, “Boundary Value Problem for Black Rings,”
Phys. Rev. D77 (2008) 064019, arXiv:0710.4600[hep-th].
13. T. Oota and Y. Yasui, “Separability of Dirac equation in higher dimensional Kerr-NUT-de
Sitter spacetime,” Phys. Lett. B659 (2008) 688-693, arXiv:0711.0078[hep-th].

国際会議会議録
1. K. Maruyoshi, “Eﬀective superpotential and partial breaking of N=2 supersymmetry,”
arXiv:0710.2154 [hep-th], Proceedings of 15th International Conference on Supersymmetry
and the Uniﬁcation of Fundamental Interactions (SUSY07), Karlsruhe, Germany, 26 Jul 1 Aug 2007.

国際会議講演
1. 糸山浩司 “Deformation of Dijkgraaf-Vafa Relation via Spontaneously Broken N=2 Supersymmetry,” YITP at 40 Anniversary Symposium, 2007 年 5 月 5 日, Yang Institute for
Theoretical Physics, USA.
2. 安井幸則 “Conformal Killing-Yano tensor and Kerr-NUT-de Sitter black hole uniqueness,”
第１３回菅平複素幾何シンポジウム招待講演, 信州菅平高原ホテルゾンタック, 10 月 24-27
日, 2007 年.
3. 安井幸則 “Conformal Killing-Yano tensor and Kerr-NUT-de Sitter black hole uniqueness,”
Progress of String Theory and Quantum Field Theory, 大阪市立大学学術情報センター, 12
月 7-10 日, 2007 年.
4. 河本祥一 “Charged boundary states in a Z3 extended minimal string,” Poster presentation
at Progress of String Theory and Quantum Field Theory, 大阪市立大学学術情報センター,
12 月 7-10 日, 2007 年.

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5. 吉岡礼治 “Partition Functions of Reduced Matrix Models with Classical Gauge Groups”,
Kyungpook National University BK21, Pusan National University BK21，大阪市大 21COE
合同 Graduate Student Workshop on Mathematics, 大阪市立大学学術情報センター, 8 月
27-28 日, 2007 年
6. 丸吉一暢 “Deformation of Dijkgraaf-Vafa Relation via Spontaneously Broken N=2 Supersymmetry,” 15th International Conference on Supersymmetry and the Uniﬁcation of
Fundamental Interactions (SUSY07), Karlsruhe, Germany, 26 Jul - 1 Aug 2007.
7. 丸吉一暢 “Deformation of Dijkgraaf-Vafa Relation via Spontaneously Broken N=2 Supersymmetry,” Progress of String Theory and Quantum Field Theory, 大阪市立大学学術情報センター, 12 月 7-10 日, 2007 年.
8. 宝利剛、大田武志、安井幸則 “Some properties of closed conformal Killing-Yano tensor,”
Asia-Paciﬁc International Conference on Gravitation and Astrophysics(ICGA8)，奈良女子大学，8 月 29 日-9 月 1 日, 2007 年.

学会・研究会講演
1. 糸山浩司：「Deformation of Dijkgraaf-Vafa relation via spontaneously broken N=2 supersymmetry」2007 年 8 月 弦理論と場の理論–量子と時空の最前線, 近畿大学.
2. 糸山浩司：「Usp matrix model revisited」 招待講演 2008 年 3 月
2008, 高エネルギー加速器研究機構.

KEK Theory Workshop

3. 安井幸則：「Black Hole, Sasaki-Einstein Manifold and AdS/CFT Correspondence」2007 年
6 月 幾何セミナー, 大阪大学.
4. 安井幸則：「Black Hole, Sasaki-Einstein Manifold and AdS/CFT Correspondence」2007 年
9 月 力学系と微分幾何学, 京都大学数理解析研究所.
5. 安井幸則: 「Closed conformal Killing-Yano tensor and Kerr-NUT-de Sitter spacetime
uniqueness」2007 年 10 月 微分幾何学セミナー, 大阪市立大学.
6. 安井幸則：「ブラックホールの幾何学と佐々木-Einstein 多様体」2008 年 2 月 宿泊型研究会「ブラックホール, 佐々木-Einstein そして AdS/CFT 対応」, 岡山菊乃家旅館.
7. 安井幸則: 「佐々木-Einstein 計量と AdS/CFT 対応」2008 年 3 月 日本物理学会・数学会
合同セッション招待講演, 近畿大学.
8. 大田武志: 「Z p,q クイバーゲージ理論と関連した話題について」2007 年 6 月 岡山光量子科学研究所.
9. 大田武志: 「Nambu-Goto Like Action for AdS5 ×S5 Superstrings in the Generalized LightCone Gauge」2008 年 3 月 日本物理学会第 63 回年次大会, 近畿大学本部キャンパス.
10. 大田武志: 「Some properties of Kerr-NUT-de Sitter spacetime」2008 年 1 月、大阪市立大
学数学研究会特別賞受賞講演、大阪市立大学.
11. 河本祥一: 「Small deformation of Loop operators: Symmetry and AdS/CFT」2007 年 12月、理化学研究所、理研シンポジウム「量子場の理論と対称性」(ポスター発表)
12. 河本祥一: 「Small deformation of Loop operators: Symmetry and AdS/CFT」2008 年 3月、高エネルギー研究所、KEK String workshop 2008（ポスター発表）
13. 河本祥一: 「Charged boundary states in a Z3 extended minimal string」2008 年 3 月 日
本物理学会第 63 回年次大会, 近畿大学本部キャンパス.
14. 河本祥一: 「Towards master ﬁelds for Wilson loops」2008 年 2 月 宿泊型研究会「ブラックホール, 佐々木-Einstein そして AdS/CFT 対応」, 岡山菊乃家旅館.

52

15. 河本祥一: 「Charged boundary states in a Z3 extended minimal string」2007 年 10 月、
大坂市立大学数物セミナー、大阪市立大学
16. 河本祥一: 「Charged boundary states in a Z3 extended minimal string」2008 年 2 月、素粒子論セミナー、基礎物理学研究所、京都大学
17. 河本祥一: 「Small deformation of Wilson loop operators」2008 年 3 月、seminar for thestring focus group of Taipei、台湾大学、台北、台湾
18. 吉岡礼治: 「光円錐ゲージにおける AdS5 × S5 超弦の解析」2007 年 9 月、日本物理学会第62 回年次大会、北海道大学札幌キャンパス
19. 吉岡礼治: 「AdS5 × S5 弦理論とその解析」2008 年 3 月、日本物理学会第 63 回年次大会、近畿大学本部キャンパス
20. 丸吉一暢：「N=2 quiver gauge theories and partial breaking of N=2 supersymmetry」弦理
論と場の理論–量子と時空の最前線, 2007 年 8 月, 近畿大学.
21. 丸吉一暢：「N=2 超対称性の部分的自発的破れのダイナミクス」2007 年 9 月、日本物理学会
第 62 回年次大会、北海道大学札幌キャンパス.
22. 宝利剛、大田武志、安井幸則：「Symmetry Groups of Geodesic Equations and Killing-Yano
Tensor」2008 年 3 月 日本物理学会第 63 回年次大会, 近畿大学本部キャンパス.
23. 宝利剛、大田武志、安井幸則：「Kerr-NUT-de Sitter Black Holes and Geodesic Integrability」
2007 年 9 月、日本物理学会第 62 回年次大会、北海道大学札幌キャンパス.

学位論文
修士論文
1. 西田真人：「Quiver ゲージ理論と行列模型」
2. 燈下将樹：「微分方程式の対称性とブラックホール研究への応用」

博士論文
1. 吉岡礼治: “The AdS5 ×S5 superstrings in the generalized light-cone gauge and the NambuGoto like action.”

研究助成金取得状況
1. 糸山浩司 (研究代表者)：日本学術振興会・基盤研究 (C) No.18540285「時空・物質を生成する行列模型及び紐理論に於ける可積分性の出現」H19: 1,040,000 円
2. 安井幸則（研究代表者）：日本学術振興会・基盤研究 (C) No.19540304「ブラックホールの幾何学と佐々木-Einstein 計量」H19: 3,120,000 円
3. 安井幸則 (研究分担者; 代表者 橋本義武)：日本学術振興会・基盤研究 (C) No.19540058「ファノ多様体の組合せ論とその佐々木・アインシュタイン多様体への応用」
4. 河本祥一：（研究代表者）： Daiwa Foundation Small Grants（大和日英基金奨励助成）
Ref(6594/6919) “On two dimensional quantum gravity by use of multi matrix models”

海外出張および海外研修
1. 河本祥一：台湾大学・台湾師範大学（台北、台湾）。2007 年 3 月、研究交流およびセミナー
発表.

53

その他
1. 糸山浩司: 日本物理学会

2007-2008 年 領域副代表 (素粒子論）

2. 糸山浩司: 大阪市立大学数学研究所運営委員
3. 糸山浩司：大阪市立大学 COE プログラム「結び目を焦点とする広角度の数学拠点の形成」
評価対象者
4. 糸山浩司: 国際会議「Progress of String Theory and Quantum Field Theory」組織委員長
5. 糸山浩司: Alexei Morozov 日本学術振興会外国人招へい研究者 (短期）2007 年 10 月ー 12
月、受入研究者 糸山浩司
6. 安井幸則：国際会議「VIII Asia-Paciﬁc International Conference on Gravitation and Astrophysics」組織委員
7. 安井幸則：国際会議「Progress of String Theory and Quantum Field Theory」組織委員
8. 大田武志: 大阪市立大学数学研究所特別賞受賞
9. 安井幸則、河本祥一： 宿泊型研究会「ブラックホール, 佐々木-Einstein そして AdS/CFT
対応」開催

54

宇宙物理研究室
石原秀樹
浜端広充
中尾憲一

教授
准教授
准教授

栗田泰生(博士研究員)
富沢真也(博士研究員)

松野 研(D3)
甲斐智博(D2)
小村信幸(D2)
木村匡司(D1)
孝森洋介(D1)
中川利治(M2)
阿部博之(M1)
伊形尚久(M1)

研究概要＜重力理論分野＞
宇宙にはさまざまな大きさのスケールがあり，また，宇宙の誕生から宇宙年齢にいたる長い歴史があります．大きな多様性をもったこの宇宙を理解することは、自然科学の重要な目的のひとつです．
宇宙物理（重力）グループでは，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ます．2007年度に行った研究は以下の通りです．
1. 高次元ブラックホール
超弦理論など重力を含む統一理論では、時空が高次元であることが示唆されます．私たちのグループでは，高次元時空におけるブラックホールに関して以下の研究をおこないました。
1) ５次元Kaluza-Kleinブラックホールの厳密解（石原，富沢，松野，中川）
我々のグループは，コンパクトな余剰次元を漸近的にもつような5次元Kaluza-Kleinブラックホール（K-K BH）解について研究してきたが，それを拡張して，電荷をもち回転している5次元 K-K BH の厳密解を求めることに成功しました．さらに，ブラックホールの回転と余剰次元の回転という2つの回転パラメータをもつ解を構成しました．この解はエルゴ領
域が複数存在するという大きな特徴をもちます．
また，この解の特別な場合として多体ブラックホール解を作ることができ，それらの配位によってエルゴ領域がどのように変化するかを研究しました．
2) 5次元 Kaluza-KleinブラックホールのHawking輻射（石原，早田[京都大学]）
5次元のKaluza-Kleinブラックホールがミニブラックホールとして加速器の中で作られる可能性が考えられています．その場合，ブラックホールはHawking輻射によって蒸発すると考えられます．兄弟の早田氏との共同研究で，輻射のスペクトルが余剰次元の存在によって変更されることを明らかにしました．それによって，コンパクトな余剰次元の情報を得ることが可能になります．
3) 5次元 Kaluza-Kleinブラックホールの安定性（木村，石原，村田[京都大学]，早田[京都大学]，Konoplya, Zhidenko）
5次元のKaluza-Kleinブラックホール解が実際に宇宙に実現するかどうかは，解が安定であるかどうかによります．そこで，京大の村田氏，早田氏との共同研究で，このブラックホール解の線形摂動を１次元のポテンシャル問題に帰着し，解析の結果，解は安定である

55

ことが示唆されました．
また，村田氏，早田氏，Konoplya 氏, Zhidenko氏との共同研究で，この解の準基準モードの解析を行い，解が安定であることが別の解析でも示唆されました．
2. 宇宙ひも（石原，古崎[新潟工科大学]，古池[慶応大学]）
宇宙物理や素粒子の統一理論の観点から、「広がりを持つ物体」が盛んに研究されています．これらの運動の軌跡は，時空の中の世界面と呼ばれる部分多様体で、運動を求めることは部分多様体の埋め込み方を決めることに対応します．世界面が葉層構造を持ち、各層が背景時空の等長変換群の軌道となっている場合，その世界面は cohomogeneity-one と呼ばれています．
今年度は，新潟工科大の古崎氏，慶応大の古池氏との共同研究で，５次元の Anti-de Sitter
時空の中のcohomogeneity-one のストリングを完全に分類することができ，その中の，１つのクラスについて，Hopf Bundle の構造を利用して，実際に非自明な南部ストリングの古典
解を作ることに成功しました．
3. 裸の特異点：円筒対称時空の性質（中尾，栗田，森澤[大阪経済法科大学]）
強い重力場を記述する理論の有力な候補である一般相対論によれば、巨大質量の星はその進化の最終段階で、自らが生み出す重力によって限りなく収縮していきます．この現象は重力崩壊と呼ばれ、エネルギー密度や圧力、温度、そして時空の曲率といった物理量が無限大になるʻ領域ʼが最終的に形成されます．この領域は時空の裂け目のような構造を持ち、時空特異点と呼ばれています．時空特異点は観測可能性という観点から二種類に大別することができます．一つは、我々のような観測者がそこに行かない限り見ることのできないタイプのものであり、ブラックホールはその一例です．そしてもう一つは、原理的に観測可能なタイプであり、「裸の時空特異点」と呼ばれています．円筒対称時空における重力崩壊は、よほど特殊な物質でないかぎりこの裸の特異点を形成することが知られています．2007年度は、ApostolatosとThorneによって調べられた円筒殻の安定性について調べました．この円筒殻は，対称軸の周りを回っている粒子から構成されているもので，遠心力と重力が釣り合った定常解が存在します．ApostolatosとThorneは，この系が安定であることを示し，円筒対称系が重力崩壊によって裸の特異点を形成することは困難であると結論しました．しかし，その議論には不備が有りました．私たちは，ある条件を満たす場合，この系は安定ではあり得ないことを数学的に厳密に証明しました．したがって，円筒対称系における裸の特異点形成が困難かどうかは現段階では分からないということになります．
4. 非一様宇宙
我々の宇宙は、十分大きなスケール（3000万光年以上）で粗視化してみると、物質・輻射はほぼ一様等方に分布しています。したがって、大域的な宇宙の発展（３次元空間の体積の時間的変化）は、一様等方宇宙モデルであるフリードマンモデルで良く記述されると考えられています。しかし、小さいスケールでは、星、銀河、銀河団という構造が存在しています。
我々の宇宙は厳密にいえば非一様宇宙なのです。したがって、非一様宇宙の理論的な研究は、我々の宇宙をより深く理解するうえでとても重要な意味をもちます。
1)重力レンズ(石原，中尾，柳[京都大学])
光を放出しない非一様性を観測する手段として、重力レンズ効果が注目されています。
我々の研究グループでは、Ia型超新星爆発からの光に対する重力レンズ効果に着目し、新しい非一様性観測の方法について研究を行っています。2006年度に続き2007年度も、宇宙の物質が全てダークマターの塊からなるものと近似した宇宙モデルにおいて、マルチ重力56

レンズ効果のシミュレーションを行いました。その結果、増光率の分散や確率分布から、塊の大きさや密度分布についての情報が得られる可能性が示されました。
2)ホワイトホール(甲斐，中尾，柳[京都大学])
SFでしばしば登場するホワイトホールは、宇宙の始まりに対応するビッグバン特異点の非一様性と考えることができます。ビッグバン特異点は、宇宙が爆発的に始まった“ところ”
ですが、ホワイトホールはその中でも特に爆発的な領域です。これまでに、このホワイトホールが観測可能かどうかという研究がなされてきましたが、実はホワイトホールの数学的に明確な定義は無く、上記のような非常にあやふやな定義しかありません。ホワイトホールの明確な定義と観測可能性について研究を続けています。
5. ブラックホール磁気圏(孝森，石原，木村，中尾，柳[京都大学]，高橋[愛知教育大学])
我々の宇宙には多くの銀河があり，その中には通常の銀河の100倍から1万倍の光度で輝く
活動銀河核と呼ばれる領域をその中心に持つ銀河があります．現在観測から，活動銀河核の中心には巨大なブラックホールがあると考えられており，ブラックホールとその周りにあるプラズマや電磁場との相互作用で激しい活動性が発生していると考えられています．しかし，活動銀河核の活動性の物理的機構の十分な解明にはいたっておらずその解明は宇宙物理学における重要な課題のひとつです．
2007年度は，Kerrブラックホール周りの定常軸対称force-freeプラズマ-電磁場系（電磁場のエネルギーに比べてプラズマのエネルギーが無視できる系）についての研究を行いました．
このような電磁場はGrad-Shafranov(GS)方程式を解くことで得られます．GS方程式はlightsurfaceと呼ばれる特異面を持っています．このlight surfaceをまたいで連続かつ滑らかな数値解を得ることは極めて困難な作業ですが，我々のグループは，light surfaceで連続かつ滑らかなGS方程式の解を得るための数値コードの構築し，Blandford-Znajekモノポール解（線形近似による近似解）を再現することを確認しました．今年度の研究によって，今後より現実的な問題を考えるための土台ができました．
6. 膨張ボース・アインシュタイン凝縮体を用いた曲がった時空上の場の理論的効果の研究(栗田，石原)ボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）を用いた流体アナロジーの研究を行いました。流
体アナロジーとは、流体上の場を時空上の場と見なすことで曲がった時空上の場の理論を流体上で展開することで、この方法を用いて曲がった時空上の場の理論が、流体実験で検証できると期待されています。今年度は、BECの励起を曲がった時空上の場と考えるアナロジーを研究しました。そして、BECを膨張させた場合、励起に対する超音速面が現れることを、グロス・ピタエフスキ方程式を数値的に解くことによって示しました。その結果を用いて、超音
速面は励起としての音波の振動に比べて十分定常的であり、ブラックホールで知られている
ホーキング輻射という熱輻射と同様の現象が起こると期待されることを明らかにしました。
期待される熱輻射の温度は２ナノケルビンであり将来的な実験で十分検出が可能です。

＜流体・プラズマ物理分野＞
1. 非線形磁気流体波の厳密解(浜端)円筒内の理想プラズマ中を伝播する非線形磁気流体波について、これまで数多く厳密解を見いだしてきたが、らせん対称解について再検討した結果、見落とされていた静止流体中の波動解が存在することを明らかにした．
昨年度同様、円筒内の非理想プラズマ中を伝播する非線形磁気流体波の厳密解についても57見いだすべく研究を続けている．並進対称性がある場合と軸対称性がある場合については、波動解のいくつかを見いだし、既に論文として公表しているが、昨年度に引き続き、らせん
対称性がある場合の解についても研究を行い非線形の厳密解を見いだした．近々成果を公表予定である．現在、より一般的な解を見いだすべく研究を続けている．
また、HALL 効果を考慮した MHD 方程式の非線形磁気流体波の厳密解も見いだすべく検討中であり、近々成果を公表できるものと考えている．また、昨年度に引き続き、自己重力のある、非理想の成層流体中で、温度勾配によりつくられる対流力が存在する場合の非線形
磁気流体波の厳密解についても検討中である．
2. Firehose不安定の非線形発展(浜端）
温度異方性のあるプラズマ中で生じるマクロな不安定である firehose 不安定の非線形発展について研究し、イオンの有限ラーマー半径効果を考慮した CGL 方程式を数値解析すること
により、firehose 不安定の非線形の時間発展を調べている．既に、知られている非線形の解析
解は不安定で、この解は現実には実現されず、実際には firehose 不安定はカオス的になっていくことを明らかにしている．昨年度に引き続き、解析解がカオス解へ移行するに当たり、乱れの磁気エネルギーの空間一様性が壊れていくことに着目し、その効果を取り入れた基礎方
程式系を導き、その方程式系を用いて、firehose 不安定の非線形発展の数値解析を行いつつある．更に、波動・粒子共鳴相互作用等運動論的効果を考慮するため、Vlasov 方程式を用いた数値シミュレーションも検討中である．
3. 大 振 幅 Al fvén波 の パ ラ メ ト リ ッ ク 不 安 定 （ 浜 端 ）大振幅のAlfvén波は、太陽風中などで観測され、その安定性の理解が、種々のマクロな現象（太陽風の加熱や加速等）を解明する上での基礎として重要であると考えられている．理論的には、平行伝播で円偏波の大振幅Alfvén波は、安定ではなく他のゆらぎ（音波と他のAlfvén的な波）との相互作用により、パラメトリック不安定を起こし崩壊することが知られている．
しかし、これまで大振幅のAlfvén波に関する研究の殆どはMHD方程式に基づくもので、波動‐粒子共鳴相互作用の効果は考慮されてこなかった．昨年度に引き続き、Vlasov方程式に基づいた線形解析による研究を進行中である．また、大振幅Alfvén波のスペクトルが広がっている効果についても検討している．更に、非線形発展については、数値シミュレーションの手法を用いた研究も検討中である．
4. Bump-on-tail不安定の数値シミュレーション（浜端，小村）
プ ラ ズ マ 中 の 静 電 波 動 （ Langumuir 波 ） は 、 実 空 間 1 次 元 + 速 度 空 間 1 次 元 の 2 次 元
Vlasov-Poisson 方程式系を用いて古くから解析されているが、その非線形的振る舞いについてはいまだ未解決の問題が多く残されている．分布関数が Maxwell 分布のような単調減少する
ような分布の場合は、Langumir 波は必ず減衰するが、分布のすそにコブを持つような分布の場合は、波と粒子の共鳴相互作用が逆の形で働き、相対的に粒子から波にエネルギーを与えることになり、波が指数関数的に増幅する不安定が起こることが知られている．
本研究では, そのようなプラズマ中の代表的な静電的不安定性の一つである Bump-on-tail
不安定の非線形段階での解析を数値シミュレーションの手法で行ったものである．Valentiniらが行った Lagrangian 数値解析手法を bump-on-tail 不安定に適用し、それが到達する準定
常状態（準定常ホール構造）がどのような粒子の振る舞いによって実現されているかを明らかにした． 解析の結果、O'Neil の非線形理論通りに不安定は飽和し準定常状態に到達するが、この状態はポテンシャル井戸に常に補足されている粒子によって実現されているわけではなく、捕捉と非捕捉を繰り返す粒子によって維持されていることが確認された．更に、シミュレーションの時間および空間サイズを大きくとった計算を行うことにより、電子ホール（位相空間渦）の衝突・合体の構造が明らかになった．その過程を通じて非線形波のエネル
ギーが減少し、再び粒子にエネルギーが移行する（高エネルギー粒子が増す）ことがわかった．

58

5. 多自由度力学系における時空カオス（三浦）
地球磁場の生成モデルとして研究されてきた力武モデルを高次元に拡張したものは、高次元カオスの代表的なモデルの一つである．高次元アトラクタの構造を調べることで、複雑な軌道の中にみられる規則性を調べることができる．
昨年度に引き続き、このような中間自由度系や多自由度力学系でのカオスへ至る道を、数値計算を実行することで明らかにしている．
6. 情報処理教育用LANシステムでの電子テキストデータベースの構築（三浦）従来より、学術情報総合センターシステム上で、電子テキストデータベースを構築していた．本年度もこのシステム上で継続して構築している．

教育・研究業績
学術 論文
1. Yasunari Kurita and Takao Morinari, "Formation of a sonic horizon in isotropically expanding
Bose-Einstein condensates", Physical Review A Vol.76, 053603 (2007)
2. Yasunri Kurita and Hideki Ishihara, "Mass and free energy in thermodynamics of squashed
Kaluza-Klein black holes", Classical and Quantum Gravity Vol.24 (2007) 4525
3. Yasunari Kurita and Hideki Ishihara, "Thermodynamics of Squashed Kaluza-Klein Black Holes andBlack Strings; A Comparison of Reference Backgrounds", Classical and Quantum Gravity Vol.25(2008) 085006
4. Ken-ichi Nakao, Daisuke Ida and Yasunari Kurita, "New instability in relativistic cylindricallysymmetric system", Physical Review D77 (2008) 044021
5. Ashutosh Mahajan, Tomohiro Harada, Pankaj Joshi and Ken-ichi Nakao, “Critical Collapse of
Einstein Cluster”, Progress of Theoretical Physics Vol.118 (2007) pp.865-878.
6. Toshiharu Nakagawa, Hideki Ishihara, Ken Matsuno and Shinya Tomizaw, “Charged Rotating
Kaluza-Klein Black Holes in Five Dimensions”, Physical Review D Vol.77, (2008) 044040.
7. Chul-Moon Yoo, Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Ken Matsuno and Shinya Tomizawa, “Horizonsof Coalescing Black Holes on Eguchi-Hanson Space”, Classical and Quantum Gravity Vol.25 (2008)
095017.
8. Ken Matsuno, Hideki Ishihara, Masashi Kimura and Shinya Tmizawa, “Coalescence of Rotating
Black Holes on Eguchi-Hanson Space”, Physical Review D Vol.76 (2007) 104037.
9. Shinya Tomizawa, Hideki Ishihara, Masashi Kimura and Ken Matsuno, “Supersymmetric blackrings on Eguchi-Hanson space”, Classical and Quantum Gravity Vol.24 (2007) pp. 5609-5626.
10. Hideki Ishihara , Jiro Soda , “Hawking radiation from squashed Kaluza-Klein black holes: A
Window to extra dimensions”, Phys.Rev.D76:064022,(2007).
11. Masashi Kimura , Keiju Murata, Hideki Ishihara, Jiro Soda, “On the Stability of Squashed
Kaluza-Klein Black Holes”, Phys.Rev.D77:064015, (2008).

59

12. Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Roman A. Konoplya, Keiju Murata, Jiro Soda, Alexander
Zhidenko, “Evolution of perturbations of squashed Kaluza-Klein black holes: escape frominstability”, Phys.Rev.D77:084019,2008.

国際 会議 会 議録
1. Ken Matsuno, “Five-dimensional Black Holes with a Compact Dimension”, Asia-PacificInternational Conference on Gravitation and Astrophysics VIII, 奈良女子大学、2007年8月.
2. Ken Matsuno, “Coalescence of Rotating Black Holes on Eguchi-Hanson space”, 17th JGRG
workshop, 名古屋大学.
3.
4. Chul-Moon Yoo, “Research of the nature of dark matter via the lensing effects to highredshift type Ia supernovae observation”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.107.
5. Ken Matsuno, “Deformated horizons and singularities in five dimensional charged black holes”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.139.
6. Kouji Ogawa, “Gravitational radiation from stationary rotating cosmic strings”, 16th JGRG
workshop, 東京工業大学 p.159.
7. Hirozhi Kozaki, “Classification of cohomogeneity-one membranes”, 16th JGRG workshop,
東京工業大学 p.189.
8. Hideki Ishihara, “Inner structure of Kaluza-Klein black holes”, 16th JGRG workshop, 東京
工業大学 p.221.
9. Ken-ichi Nakao, “Numerical study of naked singularity”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.241.
10. Hiroyuki Nakano, “Gravitational self-force for low multipole modes”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.281.
11. Shinya Tomizawa, “Solitonic solutions of five dimensional vacuum Einstein equations
generated by the inverse scattering method”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.289.
国際 会議 発 表
1. Ken Matsuno, “Five-dimensional Black Holes with a Compact Dimension”, Asia-PacificInternational Conference on Gravitation and Astrophysics VIII, 奈良女子大学、2007年8月.
2. Ken Matsuno, “Coalescence of Rotating Black Holes on Eguchi-Hanson”, 17th JGRG worksh
op, 名古屋大学2007年12月.
3. Yousuke Takamori, Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Ken-ichi Nakao, Masaaki Takahashi a
nd Chul-Moon Yoo, “Numerical Calculation of Force-fee Black Hole Magnetospheres”, 17 th
JGRG workshop, 名古屋大学2007年12月.
4. Ken-ichi Nakao, Yasunari Kurita and Daisuke Ida, “New instability in relativistic cylindricall
y symmetric system: about Apostolatos-Thorne model”, 17th JGRG workshop, 名古屋大学2007年12月. 18th JGRG workshop, 名古屋大学2007年12月.
5. Yousuke Takamori, Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Ken-ichi Nakao, Masaaki Takahashi a
nd Chul-Moon Yoo, “Numerical Study of Stationary Black Hole: Toward Blandford-Znajek
mechanism by fast rotating black holes-”, International workshop “Accelerators in the Univer
se: Interplay between High Energy Physics and Cosmophysics”, 高エネルギー加速器研究機
構つくばキャンパス, 2008年3月

60

学会 ・研 究 会講 演
1.

松野研，石原秀樹，富沢真也，中川利治:「歪んだGödel宇宙内の回転多体ブラックホール」第63回日本物理学会年次大会，近畿大学，2008年3月.
2. 栗田泰生：「ボース・アインシュタイン凝縮体における粒子生成：ホーキング輻射の検証に向けて」第63回日本物理学会年次大会，近畿大学，2008年3月.
3. 孝森洋介，石原秀樹，中尾憲一，柳哲文，木村匡志，高橋真聡：「Force-Freeブラック
ホール磁気圏の数値的な解析」第63回日本物理学会年次大会，近畿大学，2008年3月.
4. 松野研，石原秀樹，富沢真也，木村匡志：「Eguchi-Hanson空間上の回転ブラックホールの合体」第62回日本物理学会年次大会，北海道大学，2007年9月.
5. 栗田泰生：「ボース・アインシュタイン凝縮体における粒子生成：曲がった時空上の場の量子論とのアナロジー」第62回日本物理学会年次大会、北海道大学、2007年9月.
6. 孝森洋介，石原秀樹，中尾憲一，高橋真聡，柳哲文，小村信幸，木村匡志：「ブラックホール磁気圏の数値的な解析」第63回日本物理学会年次大会，近畿大学，2008年3月.
7. 中尾憲一：「New instability in relativistic cylindrically symmetric system: about
Apostolatos-Thorne model」 第９回特異点研究会「特異点と時空、および関連する物理」
2008年1月，立教大学．
8. 孝森洋介：「Force-Freeブラックホール磁気圏の数値的解析」第９回特異点研究会「特異点と時空、および関連する物理」2008年1月，立教大学．
9. 木村匡司：「Topology Changing Process of Coalescing Black Holes on Eguchi-Hanson
Space」第９回特異点研究会「特異点と時空、および関連する物理」2008年1月，立教大
学．
10. 中川利治：「Charged Rotating Kaluza-Klein Black Hole in five-dimensions」第９回
特異点研究会「特異点と時空、および関連する物理」2008年1月，立教大学．
その 他
1. 石原秀樹：出張授業「ブラックホールの物理学」兵庫県立姫路東高校 2007年8月22日
2. 石原秀樹：出張授業「相対性理論と重力の謎」京都府立南陽高校 2007年10月27日
3. 中尾憲一：出張授業「ブラックホールの物理学」大阪府立寝屋川高校 2007年7月26日
4. 中尾憲一：出張授業「ブラックホールの物理学」大阪府立牧野高校 2007年11月5日
5. 中尾憲一：出張授業「ブラックホールの物理学」私立高槻中学校・高等学校 2007年11月
21日

学位論文
修士 論文
中川利治：「5次元における回転している帯電ブラックホール」
博士 論文
松野研：「Coalescence of Five-dimensional Black Holes」

研究助成金取得状況
1.
2.

石原秀樹：学術振興会・基盤研究(C)（代表）「大域的に非自明な漸近平坦性をもつ高次元ブラックホール」
中尾憲一：学術振興会・基盤研究(B)(1)（分担）「高次元時空理論の実験的・観測的検証可能性の研究」

61

海外出張および海外研修
無し

その他
無し

62

原子核理論研究室
櫻木 弘之
有馬 正樹
古本 猛憲

教授
准教授
(D2)

中村 祥一
岡本 誠一
伊藤 智映

(M2)
(M2)
(M1)

坂東 和樹
松浦 真至
堀井 香織
水原 浩介

(M1)
(M1)
(B4)
(B4)

研究概要
1. K中間子と核子の相互作用とΛの共鳴状態について（中村、有馬）
ハドロン物理においてK中間子・核子相互作用はストレンジネスを含む基本的な相互作用という観点から着目されているが、未だ十分な理解がされていない相互作用でもある。
特に、π中間子・∑粒子チャンネルとの強い結合とΛ共鳴の存在が、この相互作用の解析を複雑にしている。特に、Λ共鳴状態の理解については諸説が多く、低いエネルギーでのK中間子・核子相互作用の解析を進めるための障害となっている。この研究では、Λ（1405）とよばれる共鳴状態をとりあげ、その性質について考察をした。この共鳴状態は、従来よりK中間子と核子の束縛状態と理解されていることが多かったが、クォーク模型としてはむしろ単一の粒子としての理解の方が都合がよい。これらの見方の違いは、K中間子・核子散乱振幅のエネルギー依存性の違いとして現れる。本研究では、散乱データとの比較を前提とする限りでは、いずれの見方でも可能であることを示した。この結果は、束縛状態ではないΛ共鳴の寄与がK中間子・核子相互作用に無視できない影響を与える可能性を示している。このことは、従来はあまり真剣にとりあげられていなかったことである。
2. ソリトンの量子化と湯川結合について（伊藤、有馬）
クォーク模型とならぶ代表的なハドロンの模型としてソリトン模型があるが、その応用は未だ十分に行われていない。特に、中間子と核子との散乱にソリトン模型を応用することは、量子化そのものの複雑さのために、いまのところ満足のゆく成果はあがっていない。、
特に、ソリトンを量子化して得られる中間子はソリトンと相互作用する際、湯川結合が消滅するといういわゆる「湯川問題」が深刻である。これを回避するために、量子化の際のゼロモードや古典解の扱いを工夫する試みがなされている。本研究では、バリオンのソリトン模型を扱うための準備として１＋１次元の模型をとりあげ、並進対称性に伴うゼロモードを正しく考慮し、量子化された場とソリトンとの散乱を考察した。特に、前述の湯川問題に関連して、古典解の役割について考察した。その結果、「１＋１次元の模型では湯川結合による散乱が消滅するが、それはソリトンのあるなしに関わらず現れる現象である
こと」、それから「中間子場にアイソスピンなどの内部対称性がある場合には、湯川問題は現れない可能性がある」ことを示した。ここで得られた知見をもとに、今後、スキルミ
オンなどのバリオン模型を用いて同様の考察を進めるつもりである。
3. CEG07複素Ｇ行列有効核力を用いた複合核間相互作用と弾性散乱の研究（古本、山本安夫(都留文科大), 櫻木）
原子核を構成する核子間の相互作用から原子核間相互作用（複素光学ポテンシャル）を導出することは、原子核物理学の重要な基本的課題の一つである。特に、有限量子多体系ゆえに存在する種々の核反応過程に起因する光学ポテンシャル虚部の理解と導出は未解決の課題として依然残されている。昨年度までの研究で、核子やハイペロン間の相63

互作用を統一的に記述できるESC04核力模型に基づいて導出したG行列有効核力（原子核
媒質中での核子間有効核力）であるCEG07有効核力を用いて、核子‐原子核間の複素光学ポテンシャルの導出と、広いエネルギー範囲の陽子‐原子核弾性散乱実験データの再現に成功した。今回の研究では、このGEG07有効核力を原子核‐原子核間の光学ポテン
シャルの導出に適用するためのdouble-folding modelを開発し、幾つかの原子核系について、その模型の有効性を検証した。特に、二つの原子核が重なる高密度領域で、有効核力のもつ密度依存性と三体力の役割に注目して分析を進めている。
4. 陽子非弾性散乱をプローブとした不安定核の構造研究（岡本、高階(京大基研)、古本、櫻木）
通常の安定な原子核では、陽子と中性子の空間的な分布やその変形はほぼ同じであると考えられ、これは殆どの核構造計算でも、またいくつかの可能な実験とも矛盾しない。しかし、中性子や陽子が安定核に比べて極端に過剰な不安定核の多くでは、中性子はハローや中性子スキンに代表されるように、陽子の分布と中性子の分布は大きく異なっていると予想されている。原子核中での陽子の分布や変形度については、電子散乱や励起状態から放出されるγ線の測定といった電磁相互作用プローブの実験によってかなり正確に推定できることはよく知られている。しかし、中性子の核内分布や変形度を正確に測定するた
めには、強い相互作用をするプローブを用いて測定するしかないが、フェルミ多体系である原子核媒質中での核子間相互作用自体が複雑で未だに不定性が多いため、これまで中性子分布を正確に知ることは困難であった。この研究では、この課題にチャレンジするため、信頼できる複素Ｇ行列有効核力を用いた核反応計算で、陽子と原子核との弾性・非弾性散乱を分析し、原子核内の中性子分布や変形度を可能な限り正確に推定するための方法論を提唱し、これを、既に中性子分布がある程度よく分かっている原子核に適用し、その有効性を検証した。今回の研究では、複素Ｇ行列有効核力としては、中心力のみを含む簡単な「JLM有効核力」を用いて、一定の成功を修めたが、今後は、密度依存性やエネルギー依
存性がより信頼でき、また、スピン軌道力まで含む、より現実的な複素Ｇ行列有効核力であるCEG07を用いた反応論の構築を目指していく。
5. 偏極陽子+ 8B散乱における8B→7Be+p分解過程および7Be核変形の効果（堀井、古本、櫻木）
代表的な軽い陽子過剰核である8Bは、宇宙における元素合成過程で重要な役割を果たすことが知られているが、その核構造や反応機構は未解明な部分が多く、それが、元素合成
反応分析の不定性の一因ともなっている。最近、理化学研究所の実験グループによって、二次ビームとして生成された不安定核 8Bを陽子標的照射して弾性散乱を測定する実験が行われた。この研究では、陽子と8 Bとの弾性散乱を理論的に分析し、8Bの特異な核構造が反応にどのように影響するかを分析した。具体的には、8 Bはわずか130keVで8 B→7 Be+pに分解するという弱結合系であるため、8B→7Be+p分解反応がp+8B弾性散乱にどのような影響を及ぼすかを、Johnsonらの提唱した「断熱リコイル近似」という手法を用いて調べた。
また、8Bを構成する7Be核自身が大きく変形した原子核であるため、この7Be核変形がp+8B
弾性散乱に及ぼす影響も調べた。その結果、8B→7 Be+p分解反応の影響は小さく、一方、7Be
核変形の効果は非常に大きいということを明らかにした。
6.

16

O+16O 非弾性散乱における多段階反応過程の研究（高階（京大基研）、櫻木）

最も代表的な安定核であり二重閉殻である16 O同士の核反応は、核反応理論や相互作用模型を検証する、いわば試金石的な役割を果たす基本的な反応系であり、16 O+16O 弾性散
乱は、しばしば、核構造や核反応理論、相互作用模型を検証するベンチマークテストとして用いられてきた。しかしながら、近年、16O+16O系の核反応で、16Oをその第２励起状態64

（３‐状態；6.13 MeV）および第３励起状態（２＋状態 ；6.92 MeV）へ励起させる非弾性散乱の断面積が異常な振舞いをすることが、複数の研究グループによって報告され、その原因の解明が求められている。すなわち、16 Oについての信頼性の高い核構造模型を用い、信頼性のある核間相互作用模型と核反応理論を用いてこの非弾性散乱を分析した場合、通常の方法では、非弾性散乱の断面積が実験データを大きく上回ってしまい、全く再現できない。再現しようとすれば、出口の励起状態チャネルのポテンシャル虚部の強さを極端に大きくする必要があり、その原因が不明である、とする報告が複数なされ、問題となっていた。この問題を解決するべく、これらの励起状態と強く結合する可能性のある他の励起状態の核構造や結合定数を詳細に分析し、重要と思われる励起状態を全て取り入れたチャ
ネル結合計算を行い、その異常の原因の解明を進めている。

教育・研究業績
学術 論文
1. Y. Sakuragi, Y. Maenaka, T. Furumoto, “Coupled-channels study of 10Be+α structure ofhighly-excited 14C ”, Journal of Physics:Conference Series 111, 012019-1‐012019-6 (2008)

国際 会議 会 議録
1. Y.Sakuragi, Y.Maenaka, T.Furumoto, “Coupled-channels study of 10Be+α structure ofhighly-excited 14C”, Proceedings of The 9th International Conference on Clustering Aspects of
Nuclear Structure and Reactions (CLUSTER’07) (Sept.3-7, 2007, Stratford-upon-Avon,U (JPCS),
Journal of Physics Conference Series (JPCS) (IOP Publishing Limited, 2008), in press.

国際 会議 発 表
1. T.Furumoto, Y.Sakuragi, Y.Yamamoto, “New complex G-matrix interactions and application to
proton-nucleus scattering”, International Workshop on "Direct reactions with Exotic Beams"(DREB2007) , May 30 – June 2, 2007, RIKEN (Saitama,Japan) (Oral talk)
2. Y.Sakuragi, T.Yamamoto, T.Furumoto, “Analysis of polarized proton-6 He elastic scattering basedon an improved di-neutron model”, International Workshop on "Direct reactions with Exotic
Beams" (DREB2007) , May 30 – June 2, 2007, RIKEN (Saitama,Japan) (Oral talk)
3. Y.Maenaka, T.Furumoto, Y.Sakuragi, “Coupled-channels study of 10Be+α structure ofhighly-excited 14C”, International Workshop on "Direct reactions with Exotic Beams"(DREB2007) , May 30 – June 2, 2007, RIKEN (Saitama, Japan) (poster)
4. Y.Maenaka, T.Furumoto, Y.Sakuragi, “Coupled-channels study of 10Be+α structure ofhighly-excited 14C”, International Workshop on Nuclear Structure: New Pictures in the Extended
Isospin Space (NS07), June 11-14, 2007, YITP (Kyoto, Japan) (poster)
5. Y.Sakuragi, “Microscopic reaction theory to probe proton and neutron deformations in unstable
nuclei”, International Symposium & School on Frontiers and Perspectives of Nuclear and Hadron
Physics (FPNH07), June 11-12, 2007 (Tokyo Institute of Technology, Tokyo) (Invited talk)
6. Y.Sakuragi, Y.Maenaka, T.Furumoto, “Coupled-channels study of 10Be+α structure ofhighly-excited 14C”, The 9th International Conference on Clustering Aspects of Nuclear Structure
and Reactions (CLUSTER’07), Sept.3-7, 2007 (Stratford-upon-Avon,UK) (Oral talk)

学会 ・研 究 会講 演
1. 古本猛憲、高階正彰、櫻木弘之、山本安夫「複素G行列相互作用に基づく核反応研究Ⅲ」

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2.
3.
4.

日本物理学会第62回年次大会（2007年9月21‐24日、北海道大学）
古本猛憲「Application of the complex G-matrix folding model to elastic scattering」
京都大学・ 原子核理論セミナー(2007年10月10日)
古本猛憲、櫻木弘之、山本安夫「複素G行列相互作用に基づく核反応研究Ⅳ」
日本物理学会第63回年次大会（2008年3月22‐26日、近畿大学）
堀井香織、古本猛憲、櫻木弘之「偏極陽子+8B散乱における8B→7Be+p分解過程および7Be
核変形の効果」日本物理学会第63回年次大会（2008年3月22‐26日、近畿大学）

その 他
1. 櫻木弘之： 理化学研究所・客員主管研究員（兼職）（本林・重イオン核物理研究室）
2. 櫻木弘之： International Advisory Board, The International Workshop on "Direct reactions with
Exotic Beams" (DREB2007) , May30-June2,2007, RIKEN (Saitama, Japan)
3. 櫻木弘之： Chairperson for “International Nuclear Physics Conference (INPC2007)” , June 3 – 8,
2007 (Tokyo)
4. 井芹康統、上村正康、八尋正信、櫻木弘之、緒方一介、九州大学情報基盤研究開発センター
広報（全国共同利用版）Vol.5,No.3(2006.2),pp.117-134，「連続状態離散化チャネル結合法(ＣＤＣＣ法)による原子核反応解析コード (そのⅠ)：CDCC核ポテンシャルの算出(略称：
CDCC̲cdcdeu)〜新登録プログラムライブラリの紹介〜」(解説)
5. 井芹康統、上村正康、八尋正信、櫻木弘之、緒方一介、九州大学情報基盤研究開発センター・
全国共同利用システム広報, Vol.1,No.1(2007.5),pp.16-28，「連続状態離散化チャネル結合法（CDCC法）による原子核反応解析コード（そのⅡ）：CDCC散乱S 行列の算出 ( 略称：
CDCC̲hicadeu)〜新登録プログラムライブラリの紹介〜」(解説)
6. 井芹康統、上村正康、八尋正信、櫻木弘之、緒方一介、九州大学情報基盤研究開発センター・
全国共同利用システム広報, Vol.1,No.3(2008.3),pp.88-106，「連続状態離散化チャネル結合法(ＣＤＣＣ法)による原子核反応解析コード (そのⅢ)：散乱断面積・偏極量の算出(略称：
CDCC̲xpoladeu)〜新登録プログラムライブラリの紹介〜」(解説)

学位論文
修士 論文
1. 中村 祥一：「πΣ‐KN相互作用と共鳴状態」
2. 岡本 誠一：「陽子非弾性散乱をプローブとした不安定核の構造研究」

その他
1. 櫻木弘之：物理出張授業「元素のふるさとは宇宙」（大阪府立豊中高等学校、2007年6月23日）
2. 櫻木弘之：「アインシュタインLove」（大丸ミュージアム・梅田）
大阪市大ミニ講義：おもしろトーク 科学を知ろう！「元素のふるさと、宇宙！」（2006年8月9日）
3. 櫻木弘之：物理出張授業「元素のふるさとは宇宙！」（京都府立南陽高等学校、2008年1月26日）
4． 先端研究拠点事業‐拠点形成型‐（2006〜2008年度）「エキゾチック・フェムトシステム研
究国際ネットワーク」に協力研究機関・協力研究者として参加

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