物理学教室年次研究報告
２０２１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
２０２１年度物理教室談話会 ..............................................................3
研究報告
物性物理学講座
超低温物理学研究室 ......................................................................7
光物性物理学研究室 ....................................................................10
⽣体・構造物性物理学研究室 .....................................................12
素励起物理学研究室 ....................................................................15
電⼦相関物理学研究室 ................................................................21
レーザー量⼦物理学研究室 .........................................................25
宇宙・⾼エネルギー講座
宇宙線物理学研究室 ....................................................................30
⾼エネルギー物理学研究室 .........................................................38
重⼒波実験物理学研究室 ............................................................47
宇宙･素粒⼦実験物理学研究室 ...................................................55
基礎物理学講座
素粒⼦論研究室 ...........................................................................62
数理物理研究室 ...........................................................................68
宇宙物理研究室 ...........................................................................72
原⼦核理論研究室 .......................................................................76

序２０２１年度は、新型コロナの影響もやや落ち着きを取り戻し、⼤学⽣活も新しい様式を取り込みつつ以前の状態に近づきつつありました。我々の活動に関しては、遠隔の会議に違和感がなくなり、やはり新型コロナは⽣活ばかりか研究交流の様式にも影響があったことを実感させられました。
このようにコロナ対策をとりつつ研究を進めていくとともに、いよいよ次年度に迫った
⼤阪府⽴⼤学との統合に向けて、さまざまな活動を合同で進めて⾏きました。その⼀つが毎年恒例の教室発表会の合同での開催でした。研究室数が 14 から 24 に増えたため、年末と年始に分けて２⽇間での開催となりました。ハイブリッドでの開催には談話会委員と共に画像技術室の⿃丸さんにもご協⼒いただきました。
⼀⽅で、「南部・アインシュタインセミナー」を開催できなかったことは残念でした。対
⾯の研究会が復活しつつある状況を踏まえ、対⾯での開催を模索しましたが、合宿形式での開催には時期尚早との考えが拭えず、開催に⾄ることができませんでした。次年度に開催の願いを託します。
２０２１年度末には我々の教室から惜しい⼈材が去ることとなりました。⽯原秀樹、⽷⼭浩両教授の定年によるご退職、荻尾彰⼀教授の他⼤学へのご栄転、櫻⽊教授の理事就任に伴うご退職、と⼀気に４名の⽅が物理学教室を去られました。新型コロナウイルス対策もあり、荻尾教授、櫻⽊教授の最終講義は 2 ⽉に遠隔開催となりました。⽯原教授、⽷⼭教授の最終講義はコロナの感染状況がやや改善したこともあり 3 ⽉に対⾯での開催となりました。開催にご尽⼒いただいた談話会委員の皆様に感謝いたします。４⼈の皆様の物理学教室へのご貢献に感謝すると共に、今後のご活躍を祈念いたします。
⼈事については、3 ⽉ 1 ⽇付で宇宙・⾼エネルギー物理学講座の常定芳基准教授が教授に昇進されました。おめでとうございます
明るいニュースとしては、２０１５年度に博⼠号を取得された素励起物理学研究室出⾝の藤本和也さん(受賞当時名古屋⼤学 ⾼等研究院)が⽇本物理学会若⼿奨励賞(領域 1) を受賞されました。物理学教室出⾝者の活躍を⽿にするのはとても嬉しいことです。また、素励
起物理学研究室の⽵内宏光講師が６⽉に教員活動表彰されました。ますますのご活躍を期待します。
また、昨年度の⼤きな出来事の⼀つに南部陽⼀郎物理学研究所（NITEP）の専任化がありました。NITEP の位置付けを明確にし、新⼤学を代表する国際共同研究所としての運営体
制と機能強化を図るために専任教員を配置することが認められました。櫻⽊副学⻑、坪⽥研
究科⻑（それぞれ当時）、⽷⼭ NITEP 所⻑、神⽥ NITEP 副所⻑のご尽⼒に感謝いたします。今後、物理学教室と NITEP が密接に連携して、⼤阪公⽴⼤学での物理学の研究を強⼒に推進していけることと期待しています。
最後にこの年次報告の作成にあたった杉崎満⽒、常定芳基⽒、中尾憲⼀⽒に感謝します。

1

２０２１年度（令和３年度）物理学科主任
中野英⼀

2

2021 年度物理学教室談話会
第１回
講演⽇時：４⽉１３⽇（⽕）１５：００
講演者：森⼭ 翔⽂（⼤阪市⽴⼤学 理学研究科数理物理研究室）
講演題⽬：よく学び、よく遊べ
開催⽅法：リモート(zoom)

第２回
講演⽇時：４⽉２８⽇（⽔） １６：００
講演者： 寺⾕ 義道（⼤阪市⽴⼤学 理学部物理学科）
講演題⽬：Roles of three-body correlations on nonlinear current andnoise through multilevel Anderson impurity
開催⽅法：リモート(zoom)

第3回
講演⽇時：１０⽉２７⽇（⽔）１７：１０
講演者：⻄中 崇博（⼤阪市⽴⼤学 理学部物理学科）
講演題⽬：超対称性と数理物理
場所：学術情報総合センター１階⽂化交流室

第４回
講演⽇時：１１⽉１０⽇（⽔）１６：００
講演者：⼤平 豊（東京⼤学 ⼤学院理学系研究科 地球惑星科学専攻）
講演題⽬：初代宇宙線と宇宙磁場の起源
開催⽅法：リモート(zoom)

第５回
講演⽇時：１2 ⽉１4 ⽇（⽕）１６：００
講演者：猪野 隆（⾼エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所）
講演題⽬：J-PARC での中性⼦寿命測定と中性⼦基礎物理学研究
場所：理学部 E211 教室

3第６回
講演⽇時：１⽉１9 ⽇（⽔）１６：００
講演者：早⽥ 次郎 (神⼾⼤学 ⼤学院理学研究科物理学専攻）
講演題⽬：グラビトンによる量⼦雑⾳について
場所：第７講義室

荻尾彰⼀教授 退職記念最終講義
講演⽇時：２⽉１７⽇（⽊）１５：００
講演者：荻尾 彰⼀⽒（⼤阪市⽴⼤学）
講演題⽬：最⾼エネルギー宇宙線観測装置『TA 実験』は何を明らかにしたか
場所：リモート(zoom)

櫻⽊弘之教授 退職記念最終講義
講演⽇時：２⽉１７⽇（⽊）１６：１０
講演者：櫻⽊ 弘之（⼤阪市⽴⼤学）
講演題⽬：原⼦核物理と出会って - 過去・現在・未来 場所：リモート(zoom)

⽷⼭浩司教授 退職記念最終講義
講演⽇時：3 ⽉７⽇（⽉）１５：００
講演者：⽷⼭ 浩司（⼤阪市⽴⼤学）
講演題⽬：私の場の量⼦論研究と愉快な仲間達
場所：⼤阪市⽴⼤学⽥中記念館

⽯原秀樹教授 退職記念最終講義
講演⽇時：3 ⽉７⽇（⽉）１６：１０
講演者：⽯原 秀樹（⼤阪市⽴⼤学）
講演題⽬：私の相対論と重⼒の研究より
場所：⼤阪市⽴⼤学⽥中記念館

42021 年度 市⼤・府⼤合同物理学教室研究発表会
⽇時：１２⽉２４⽇（⾦）１０：３０―１６：２０
１⽉ ６⽇（⽊）１０：４０―１６：２０

開催⽅法：対⾯（全学共通教育棟８１０）と遠隔(zoom)のハイブリッド
10:30

はじめに（中野市⼤主任）

24 ⽇ AM 宇宙・⾼エネルギー⼤講座（座⻑：伊藤）
10:40

重⼒波実験物理学（伊藤）11:00

宇宙線物理学（荻尾）

11:20

Skip

11:40

⾼エネルギー物理学（岩崎）12:00

宇宙・素粒⼦実験物理学（⼭本）

12:20-13:20

昼⾷

24 ⽇ PM1

物性⼤講座１（座⻑：久保⽥）

13:20

⾮線形物理（⽔⼝）

13:40

レーザー量⼦物理学（堀越）

14:00

量⼦動⼒学（⽥中、Garmon）

14:20

電⼦相関物理学（⼩栗）14:40

寺⾕義道(NITEP)

14:50-15:10

休憩

24 ⽇ PM2

物性２・基礎⼤講座１（座⻑：⽯原）

15:10

電波天⽂学（⼤⻄、前澤）

15:30

超低温物理学（⽮野）15:50

宇宙物理（⽯原）16:10

素粒⼦論（丸）16:30

⼭中真⼈(NITEP)

６⽇ AM 物性⼤講座３（座⻑：井上）
10:40

⽣体光物理（飯⽥）11:00

⽣体・構造物性物理学（杉崎）11:20

光物性（溝⼝）5

11:40光エレクトロニクス物理（鐘本）

12:00

分⼦磁性（細越）

12:20-13:20

昼⾷

６⽇ PM1 物性⼤講座４（座⻑：⼩栗）
13:20

熱電物性（久保⽥）13:40

構造物性（⼩菅）

14:00

素励起物理学（坪⽥）14:20

極限物性（野⼝）

14:40-15:00

休憩

６⽇ PM2 基礎⼤講座２（座⻑：⽯原）
15:00

数理物理（場の理論・弦理論）
（⽷⼭）

15:20

数理物理（表現論）
（会沢）

15:40

原⼦核理論（緒⽅）16:00

沈相仁(NITEP)

16:10

おわりに（⽥中府⼤主任）

この研究会の発表内容は学術的で先端研究発表の⾊彩が強いものですが，学部学⽣・⼤学院⽣にも分かり易く努めて発表することになっています．学⽣も積極的に出席・質問
して下さい．

問い合わせ先：⽯原・伊藤・⼩原（市⼤談話会委員）、⼩野・前澤（府⼤連絡委員）

6超低温物理学研究室
石川修六
矢野英雄
小原 顕

教 授
准教授
講 師

柿本直紀 (M1)
島村椎耶 (M1)
都田瑶馬 (M1)

研究概要
1.

熱対向流が生成する超流動ヘリウム４の量子乱流（矢野、都田）
超流動ヘリウム(4He)の超流動成分と常流動成分の対向流は、臨界速度を超えると流路内に量子乱流を生成する。対向流による量子乱流の研究は数多く行われているが、対向流乱流の渦の運動を観測する研究はまだ行われていない。本研究では、狭い流路内で生成した対向流乱流から放出される渦輪を、流路外に設置した渦輪検出器で検出頻度を調べることにより、流れに対する量子渦輪の運動と量子乱流の異方性を研究した。
直径 0.3 mm 長さ 1.5 mm の流路端から 0.2 mm 離した流路軸上に検出器（振動ワイヤ
ー，直径 2μm）を設置し、また新たに対向流の向きを制御する方法を開発した。この装置による乱流生成から渦輪検出までの時間測定から、次のことを明らかにしている。①
検出時間は指数分布し、渦輪の検出はランダムである。②対向流の向きと検出頻度の測定から、超流動流の向きに放出する渦輪より、常流動流の向きに放出する渦輪が多いことを見出した。③対向流中の渦輪運動の計算から、常流動と同じ向きに動く渦輪は、常流動流速に一致する自己誘導速度をもつ渦輪に限定されることを明らかにした。また超流動と同じ向きに動く渦輪は超流動流速よりゆっくり動く大きな渦輪に限定される。④②と③の結果から、常流動速度と同じ自己誘導速度をもつ渦輪は、大きなサイズの渦輪
より多く生成されることがわかる。また対向流中の渦輪運動から、超流動流と同じ向き
へ乱流が成長するが、常流動と同じ向きへの成長は抑えられることが予想される。このように対向流乱流の渦輪放出の研究により、渦輪運動と乱流成長の異方性について明ら
かにした。

2.

低温モーターで駆動する超流動ヘリウム４吸込渦（小原、矢野、柿本、島村）
自然界には、何らかの要因により渦度が局所的に集中した領域を持つ渦がある。その代表例は垂直方向の吸込流があるときに発生する「吸込渦」（風呂桶の栓を抜いたときにできる渦）で、定性的には、微小な渦度を持つ「素渦」が渦定理にしたがって吸込口に集中させられることで巨大な渦になると理解されており、そのコア半径は吸込流の強さと粘性による渦度拡散のバランスで決まるとされているが、詳細は定かではない。我々は、超流動ヘリウムの吸込渦を用いた実験を行い、吸込渦の基本的な流れの性質を調べている。超流動では渦糸が実在し、渦糸がすべての渦度を担っており、その渦糸の密度を計る技術が確立されているからである。実験では当研究室で開発された超流動中で回転するモーターを用いて吸込流を生成し、独自に開発した第１音波循環計測法を用いて循環を求めたところ、
渦糸 104～105 本相当の渦度をもつ渦であることが明らかになった。
さらに、量子渦糸がどこにどのような密度で存在しているのか検証するため、巨大渦を横断する第２音波の吸収実験を行った。第２音波は超流体特有の音波の一つで、量子渦が存在するときには渦糸密度に比例した減衰を示す。実験によって得られた第２音波減衰と循環を比較することにより、吸込渦の回転中心には極めて高密度な渦糸が集積していることがわかり、さらに、それらの渦糸の約 10%程度しか巨視的な循環流に関与していないことがわかった。すなわち、吸込渦の渦芯を構成する渦糸がほとんど水平方向に傾いて存在していることを示しており、吸込渦の流れの構造の代表的な性質の一つを明ら7かにしたことになる。今後は超流動中に固体水素微粒子を散布し、その動きを追跡することで、流れの構造および渦糸の配置についての研究を行い、吸込渦の構造の核心に迫る研究を行う予定である。

3.

熱音響冷凍機の開発（石川）熱音響冷凍機は、熱エネルギーと音波エネルギーの変換を利用した冷凍機である。薄膜付きのループ管型の熱音響冷凍機が本研究の特色である。この薄膜の役割を明らかにするために、ステンレスの直管の一端にスピーカーを配置した音響装置を製作し、他端を開放端、閉端、薄膜としたきの共鳴周波数での管に沿った圧力変動、仕事流を調べた。
これまでの解析より、ループ管型熱音響冷凍機の薄膜では常に圧力変動が極大であることがわかっている。これは閉端的な振る舞いであり、直管での実験と矛盾しないものである。直管軸に沿った仕事流測定結果を「混在波モデル」で解析した。他端の条件によらずに、進行波成分は他端に向かって減少し、定在波成分は増加することが分かった。
他端が金属端のときはそこで進行波成分がゼロとなることと、薄膜ときは進行波成分がゼロとならないことより、薄膜は有限な仕事流を存在させることが分かった。進行波の減少を阻止する薄膜の役割がどのような機構によるかを明らかにするためには、減衰しながら進む圧力波と他端での反射係数の導入が重要であることが分かった。さらに，直管の途中に薄膜を挿入し薄膜前後での仕事流を測定した。その結果、薄膜がないときの定在波の腹の位置に薄膜を設置すると仕事流が薄膜を“通過”するが、この条件から外れると薄膜後の仕事流がほぼゼロとなる場合があることが分かった。

教育・研究業績
学術論文
1. Vortex line density of superfluid suction vortex;
K. Obara, I. Matsumura, N. Tajima, K. Ohyama, H. Yano, and O. Ishikawa,Physical Review Fluids, 6, 064802(1–16) (2021)(DOI: 10.1103/PhysRevFluids.6.064802)
2. Circulation of Superfluid Suction Vortex;
N. Kakimoto, K. Obara, H. Yano, and O. Ishikawa,
Journal of Low Temperature Physics, 208, 379–385 (2022)(DOI: 10.1007/s10909-022-02684-1)
国際会議講演International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2021), Centre for Nano Science andEngineering (CeNSE), Indian Institute of Science (IISc), Bangalore, India, (10–19 August 2021)(Online)1. H. Yano (Poster): Vortex Emission from Superfluid 4He Turbulence Produced in a Thin
Channel by Thermal Counterflow
2. K. Obara (Poster): Circulation of suction vortex in superfluid helium
3. K. Obara (Poster): Vortex line density of superfluid suction vortex
4. Y. Miyakoda (Poster): Emission of Vortex Rings from Thermal Counterflow Turbulence inSuperfluid Helium4
学会・研究会講演
1. 日本物理学会 2021 年秋季大会（オンライン開催，2021 年 9 月 20 日～23 日）① 小原顕 (Talk): 超流動吸込渦の循環と渦度② 都田瑶馬 (Talk): 超流動ヘリウム 4 中の熱対向流乱流からの渦輪放出 282.

日本物理学会第 77 回年次大会（オンライン開催，2022 年 3 月 15 日～19 日）① 都田瑶馬 (Talk): 超流動ヘリウム 4 中の熱対向流乱流からの渦輪放出 3

研究助成金取得状況
1.

小原顕：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（C）「超流動ヘリウムを用いた吸込渦形成機構の解明」

２０２１年度分 ７０万円

その他
地域貢献
1. 石川：低温工学関西支部基礎技術講習会（2021 年 9 月 30 日）

9光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

但馬 直弥 (M2)福嶋 直人 (M1)髙石 晃平 (M2)舘
亮太 (M1)
堤晴香 (B4)

渡部 真也 (M2)
城戸美奈代 (B4)

研究概要
1. 有機半導体におけるスピン流伝搬効果の検証（髙石、鐘本)
有機物質はスピン緩和時間が長いため、スピン情報の伝搬に有利だと考えられてきた。
そのためスピン流の伝搬に有機半導体が用いられた研究が報告され、実際に、その伝播を示唆する結果が報告され、注目されてきた。本研究では、スピン量およびキャリヤ量を調整できる有機導体ポリマーを準備し、強磁性層内でのFMR励起により発生したスピン流が、有機層に対してどのような影響を与えるかについて、磁気共鳴法からの追跡を行った。
その結果、強磁性層におけるFMR線幅が有機層との界面接触により減少し、さらには有機層のESR線幅がその界面接触により増加することが確認された。これは両層の間でスピン間の混合が発生することを示唆している。このスピン混合がスピン流生成と関係していると予想される。
2. 色素増感太陽電池における分光計測（但馬、鐘本)再生可能エネルギーの利用が求められる昨今において、太陽光エネルギーを直接電力へと変換可能な太陽電池は、再生可能エネルギーへの依存度を高める意味において重要な位置づけにある。中でも太陽電池における有機物質の利用は、柔軟な太陽電池の実現
へとつながり、太陽電池の使用範囲を拡張させると期待されている。有機系太陽電池の一つである色素増感太陽電池では、色素が太陽光の光を吸収した後の酸化チタン層への光電子注入が、酸化還元イオンの酸化還元反応と並行して進行し、動作の理解が複雑化する。本研究では、太陽電池動作と直接結びつく分光計測系を構築し、その動作下における電子状態変化を追跡する計測系を確立させた。特に光電流の発生と同時に光を捕集する電極上にて光電子が蓄積することを実験的に実証した。
3. スピン偏極LEDの実現に向けた強磁性電極LECの作成（渡部、鐘本)
通常LEDでは電極から注入されたホールと電子が素子内で結合し、発光性励起子を生成することで動作する。電極には通常常磁性金属が用いられ、その場合、発光励起子のスピン依存反応は操作できない。しかし、強磁性金属を電極に用いると、そのスピン偏極によりスピン選択性の操作が可能になるかもしれない。この研究では、単層においても動作可能なイオン液体によるLECを用いることで単層LEDを作成し、強磁性電極を用いた場合のLED特性を調べた。さまざまな強磁性電極にてLEC作成を試みたが、パーマロイを強磁性層とする単層LECにて実際に動作することがわかった。ただし、素子寿命が現状ではまだ短い。物性面では、強磁性層のFMR遷移により発光強度の一部が変化す
ることがわかった。
4. TADF型OLEDに対する分光計測（舘、鐘本)
近年熱活性化遅延蛍光（TADF）を示すOLEDが注目されている。その動作過程についての知見はこれまで十分に引き出されていないが、ここでは、動作過程に同期させた分
光計測により動作過程を追求する研究を行い、その実験系を構築した。
5. スピン流計測に向けた二重共鳴系の構築（福嶋、鐘本)
スピン流の研究は最近注目されているが、通常その観測は発生起電力を主体とした計10測技術により行われる。しかし起電力では磁場誘起の別の信号も発生しうるため、誤った理解に至る可能性がある。ここでは、スピン流到達を直接観測することを目指し、異なる２種類のマイクロ波を使った二重共鳴計測技術を構築した。

教育・研究業績
学術論文
1. Kenta Nakahashi, Kohei Takaishi, Takayuki Suzuki, Katsuichi Kanemoto,“Quantifying Power Flow Processes Mediated by Spin Currents.”
ACS Applied Electronic Materials, 3, pp. 1663−1670 (2021).; ibid., 3, pp. 4254 (2021).

学位論文
修士論文
1. 髙石晃平：「磁気共鳴法による有機半導体における純スピン流物性の探究」
2. 但馬直弥：「太陽電池の動作機構解明に向けたオペランド分光計測法の確立」
3. 渡部真也：「強磁性電極有機ダイオードの実現とそのスピン物性評価」

研究助成金取得状況
1． 鐘本勝一（代表）、科学研究費補助金、基盤研究(B)（一般）「スピン流伝播に関する直接計測法の開発とその学理の総合的発展」、600万円
2． 鐘本勝一（代表）、科学研究費補助金、挑戦的研究(萌芽)、「有機半導体におけるスピン
流の直接観測に向けた二重磁気共鳴計測手法の開発」、90万円

11生体・構造物性物理学研究室
南後 守
杉﨑 満

特任教授
准教授

(D1)
(M2)

橋本 健人
山本 歩波

堀 雅樹
南 玲央
寺戸 慶次
新在家 隆征

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

研究概要
1. 細胞レベルの局所的な酸素濃度測定法の開発（寺戸，橋本，杉﨑，南後）
酸素は生命活動を維持するために重要な役割を果たす物質として知られている．高等植
物や藻類が行う光合成では，水と二酸化炭素から酸素と糖が合成され，動物は細胞呼吸により酸素，糖，脂肪酸，アミノ酸などからエネルギー生産を行っている．そのため，細胞レベル，さらには細胞小器官レベルの空間分解能で生命活動を観測する手法として，この空間分解能で酸素量をモニターする手法を獲得することは重要と考えられる．このような目論見の下で，ポルフィリン類を蛍光色素とした超解像度顕微鏡観測を開始した．ポルフ
ィリン類は，三重項励起状態から酸素へのエネルギー移動が効率よく起こることが知られている．そのため，色素近傍の酸素濃度に応じてその蛍光強度が敏感に変化することから，
酸素センサーとしての応用が期待されている．これまでに我々が行った研究において，中心金属が白金である白金オクタエチルポルフィリンは，比較的レーザー光照射に対して安定であることが分かっている．そのため，本年度はこの色素のSTED型超解像度顕微鏡観測を試みた．
まず，白金オクタエチルポルフィリンをポリスチレンに低濃度で分散させ，その蛍光を顕微鏡下で観測を行ったところ，様々な大きさの輝点を確認することができた．その中でも最小の輝点は，ほぼ回折限界である半値全幅が約300nmであった．励起光である弱いレーザー光に加え誘導放出をさせるための強いレーザー光と試料に同時照射したところ，
STED顕微鏡観測必要となる蛍光強度の減少が確認できた．これらの結果をもとに，STED
顕微画像を測定したところ，通常の蛍光顕微鏡法で測定した時よりもわずかに空間分解能の向上が見られた．燐光の寿命からSTED顕微鏡観察では約160nmの超解像度が期待できることをシミュレーションにより見積もった．実際に測定を行ったところ，空間分解能の向上が僅かに認められたが，蛍光色素の退色のため画像の劣化が起こっていた．今後，良質の画像を得るために，レーザー光強度の最適化と測定時間の短縮などの改良を行っていく
ことを計画している．
Wavenumber (cm-1)

y (m)

12
8
4
0

0

4

8

12

16

Phosphorescence (counts/sec)

16

x (m)

16000

15000

14000

Pt-OEP in polystyrene
weak pump only
w/ strong depletion

3000
2000
1000
0
600

650

700

Wavelength (nm)図1 白金ポルフィリンの顕微蛍光画像（左図）と顕微蛍光スペクトル（右図，緑線）．酸素濃度が減少す
ると，蛍光強度が減少し，その変化はStern-Volmerの関係式によって説明することができる．また可視の励起光に加え強い赤外光を試料に同時照射すると，誘導放出に伴う蛍光強度の減少が見られた（右図，赤線）．

12

2. 超高速時間分解分光スペクトル同時測定系の構築（新在家，杉﨑，南後）
光合成生物や視物質の行う光化学反応の初期過程は，100兆分の1秒という非常に超高速の時間スケールから開始され，その素過程は非常に複雑であることが知られている．そのため，この時間領域の研究が盛んになってきた1990年代から30年以上が経過した現在でも，その詳細については多くの未解決の問題が存在している．例えば，光合成の初期過程においては，可視光を吸収する光合成色素であるカロテノイドの分子内のエネルギー緩和は，近赤外光を吸収する光合成色素であるクロロフィルへのエネルギー伝達と100兆分の1秒～10兆分の1秒の時間オーダーで競合している．また，一見単純に見えるカロテノイドの分子構造に対し，そのエネルギー準位構造は複雑であり，さらにはクロロフィルにおける非常に高速な分子内のエネルギー緩和や分子間エネルギー移動が同時に起こるために，光合成生物の光学応答は，非常に複雑になる．このような複雑な光学素過程を明らかにする
ためには，複数の測定方法を組み合わせて実験をし，多角的に検証していく必要がある．
そのため，本年度は過渡吸収スペクトル，スペクトル分解四光波混合信号，時間分解蛍光スペクトルが同時測定可能となる光学系を構築した．生体関連物質は，試料の生育条件や調製条件により，そのスペクトルが僅かに異なること，また試料の劣化も避けられない問題であることから，このような光学系を用いることは効率よく研究を行っていくために必要となる．構築した光学系の動作確認として，過渡吸収と四光波混合信号に関しては，代表的なカロテノイドである-カロテンを，また蛍光に関してはローダミンを用いて時間分
解スペクトルの測定を行った．これらの物質に関しては基本的な寿命が知られており，それらと矛盾の無い結果が得られることを確認した．今後S/Nの改善を行いながら，生体関
連物質の測定に移行していく予定である．
3. 藍藻の超解像度顕微蛍光観測（橋本，杉﨑，南後）
光合成をおこなう生物は，その種ごとに生育環境に適した光捕集アンテナを有しており，中でも藍藻，紅藻，灰色藻は，フィコビリソームと呼ばれる独特の形状を持つ巨大なフィ
コビリン色素タンパク質複合体を形成している．フィコビリソームは発色団としてフィコ
シアノビリンを持ち，捕集した太陽光のエネルギーを，クロロフィルを持つ反応中心に受け渡す役割を担っている．フィコビリソームは，エネルギー生産の効率を向上するために重要な光合成器官である一方，強光下では過剰なエネルギーを反応中心に送り込みかねな
い．このような過剰なエネルギーは光合成器官の破壊につながる恐れがあるため，強光下においてエネルギーを散逸させる機構が必要となる．このような機構はステート遷移と呼ばれ，このような機能を説明するためにいくつかのモデルが提唱されている．モデルの基本となる考え方はフィコビリソームが光合成膜上を移動するというものであるが，その詳細は現在でも明らかになっていない．その理由の一つが，予想される移動距離が回折限界
によって制限を受ける光学顕微鏡の空間分解能よりも小さいことを挙げることができる．
そのため本研究では，このような困難を解決するために，超解像度顕微鏡法によりフィコ
ビリソームの移動を直接観測することを目指している．本年度はその第一歩として，藍藻
Gloeobacter violaceusが持つフィコビリソームの構成色素であるフィコエリスリンと反応中心の構成色素であるクロロフィルが超解像度法の一種であるGround state depletion法により観測可能であるかを調べた．励起光に加えdepletion光を同時照射した際にクロロフィ
ルでは蛍光強度が約20%，またフィコエリスリンでは約30%減衰することが分かった．この結果は，将来的にフィコビリソームと反応中心それぞれの位置が決定できることを示唆している．実際に画像を測定した結果，いずれの色素においても約200nm離れた輝点の存在を確認することに成功した．これは速度定数から予想される空間分解能（160nm）にほぼ一致していると考えられる．今後は，フィコエリスリンと反応中心の同時観測を目指していくが，そのためには光照射に伴う試料の劣化を最小限に抑えられるように測定条件の更なる調整が必要となる．

13

4. 小型酸素センサーの開発（杉﨑，南後）
生体組織の酸素や二酸化炭素など気体濃度を非侵襲にリアルタイムで検出することは，
細胞生物学や医療の分野において重要な課題となっている．特に近年のパンデミックにより，簡単に循環器系における気体濃度を測定する手法の開発が必要とされるようになってきた．生体組織中の酸素濃度を見積もる方法の一つとして，ポルフィリン誘導体やルテニウム錯体をポリマー中に分散させ発光測定による酸素濃度の決定法が知られている．これまでに我々の行った研究において，Stern-Volmer係数を決定する要因はマトリックス材料そのものだけでなく，マトリックスの形状や次元性に依存することが分かっている．また，試料形状を工夫することにより酸素に対する応答速度が向上することが分かっている．本
年度の研究において，様々な高分子材料を用いて不織布を作製し，その中にポルフィリン
誘導体を分散させ酸素センサーとして機能させることに成功した．特に生体適応性が高い
ポリ--カプロラクトンにおいては，従来品よりも蛍光強度が小さいもののStern-Volmer係数が大きくいため，より正確な酸素濃度の決定が必要とされる場面での応用が期待される
結果が得られた．

教育・研究業績
学会・研究会講演
1. 橋本健人，南玲央, 村上明男，南後守，杉﨑満，「Gloeobacter violaceus の顕微分光イメージング」，
日本物理学会 第 77 回年次大会（2022 年），オンライン開催，2022 年 3 月 15 日～19 日．
2. 杉﨑満，寺戸慶次，橋本健人，南後守，「白金ポルフィリンの超解像度顕微蛍光観測」，日本物理学会 第 77 回年次大会（2022 年），オンライン開催，2022 年 3 月 15 日～19 日．

研究助成金取得状況
1.

杉﨑満：株式会社カテラ，共同研究費「小型酸素（バイオ）センサーの開発」160万円．

14素励起物理学研究室
坪田 誠
教授
竹内 宏光 講師
Sahar Hejazi 博士研究員

韓 俊植(D3:学振特別研究員DC2)
乾 聡介(D2:学振特別研究員DC1)
佐野融人(D1)
中川 朋(D1)
浅川研太(M2)楊 維燦(M2)
朝賀我夢(M1)
宿野伸征(M1)
田中駿佑(M1)

研究概要
1. 量 子 乱 流 中 に お け る 量 子 渦 拡 散 （ 坪 田 ）乱流の研究では統計則に注目することが重要である。
本研究では、量子乱流の拡散に関する新規な統計則を明らかにした。フロリダ大学の実験グループは量
子渦の可視化実験により、量子乱流中の量子渦は短い時間の中では“超拡散”となり、さらに長い時間
では“常拡散”に転移することを観測した。我々は、フロリダ大学との協力により、理論と数値計算を行った。図1は、量子渦が毛玉のように複雑に絡まり、量子乱流が発生している様子を表している。紫色の
図1 数値計算による量子乱流のスナップ
球は追随粒子（実際の大きさより拡大して描画してショット。緑色の線は量子渦の芯、紫色いる）で、量子渦に付着して運ばれる。まず絶対零の球は追随粒子。
度の量子乱流を計算し、量子渦が短い時間において確かに“超拡散”に従うことを明らかにした。また、
長い時間においては、量子渦同士がぶつかって再結合が起こることにより拡散が遅くなり、“常拡散”に転移することを明らかにした。シミュレーションで得られた“超拡散”の指数
は、実験結果と一致しており、さらに、絶対零度から有限温度まで幅広い温度において計算したところ、“超拡散”の指数はほとんど変化しないことがわかった。すなわち、“超拡散”は温度等のパラメータにあまり依存しない頑強な法則であることが明らかになった。本研究は、Phys. Rev. Lett. のEditors’Suggestionとなった
2. 半 導 体 微 粒 子 に よ る 量 子 渦 の 可 視 化 と動 的 ス ケ ー リ ン グ の 観 測 (坪 田 、乾 、中 川 、
朝賀)
大阪大学のグループとの共同研究である。レー
ザーアブレーションという光を用いて微粒子を作製する技術を、超流動ヘリウムという極低温の液体中に導入することで、世界で初めて半導体のシリコンナノ粒子を用いて量子渦を可視化することに成功した。レーザーアブレーション
によって作製された大量のシリコンナノ粒子が、量子渦の中心軸上に捕捉され整列することを実験的に明らかにした。また、ナノ粒子群の様子を観察することで、量子渦の再結合現象（図2）を捉えることに成功した。2本の量子渦が接触し
図2 シリコンナノ粒子による量子渦の可視化の模式図。量子渦の中心軸上にナノ粒子が捕捉され整列する。

15

た瞬間に、互いの繋ぎ変えが起き、その後、急速に反発し遠ざかる。これが再結合現象であり、実験的に観察された再結合の振る舞いは、理論的予測および数値計算と一致することが分かり、本研究で可視化している対象が確かに量子渦であることが明確に示された。

3. 新 種 の ス キ ル ミ オ ン を 発 見 （ 竹 内 ）磁性量子流体におけるスピン流と磁壁の相互作用によって引き起こされる量子ケルビン・ヘルム
ホルツ不安定性の結果，新種の磁気スキルミオンが生じることを発見しました．通常，孤立した
スキルミオンのト
ポロジカル量子数
は整数ですが，今回発見された新種のスキルミオンはその内部にスピン特
異点を自発的に形成することで半整数の量子数をもつ
非対称な織目構造を保持しているこ図3 量子数が整数のスキルミオン（左）と半整数のスキルミオン（右）の織目構造とがわかりました． の概略図．矢印はスピン密度ベクトルをその色はベクトルのz成分を表している．

教育・研究業績
学術論文
1. Satoshi Yui, Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, Makoto Tsubota
Universal Anomalous Diffusion of Quantized Vortices in Ultraquantum TurbulencePhys. Rev. Lett. 129, 025301 (2022) (Editors’ Suggestion)
2. Junsik Han, Kenichi Kasamatsu and Makoto Tsubota
Dynamics of two quantized vortices belonging to different components of binary Bose-Eins
tein condensates in a circular box potential
J. Phys. Soc. Jpn. A. 91, 024401(2022)
3. Yosuke Minowa, Shota Aoyagi, Sosuke Inui, Tomo Nakagawa, Gamu Asaka, Makoto Tsubota,
Masaaki Ashida
Visualisation of quantised vortex reconnection as enabled by laser ablation
Sci. Adv.8 eabn1143(2022)
4. Sahar Hejazi, Juan Polo, Makoto Tsubota
Formation of local and global currents in a toroidal Bose--Einstein condensate via an inho
mogeneous artificial gauge field
Phys. Rev. A105, 053307 (2022)
5. Hiromitsu Takeuchi
Spin-current instability at a magnetic domain wall in a ferromagnetic superfluid: A gener
ation mechanism of eccentric fractional skyrmionsPhysical Review A 105, 013328 (2022) 1-14
6. Haruya Kokubo, Kenichi Kasamatsu, and Hiromitsu Takeuchi
Vorticity Distribution in Quantum Kelvin–Helmholtz Instability of Binary Bose–Einstein Co
ndensates
Journal of Low Temperature Physics (published online) (2022)
7. Haruya Kokubo, Kenichi Kasamatsu, and Hiromitsu Takeuchi

16Pattern formation of quantum Kelvin-Helmholtz instability in binary superfluids
Physical Review A 104, 023312 (2021) 1-16
8. Hiromitsu Takeuchi
Phase diagram of vortices in the polar phase of spin-1 Bose-Einstein condensates
Physical Review A 104, 013316 (2021) 1-15
国際会議講演
ULT2022, Otaru, Japan Aug.25-28, 2022
1. Satoshi Yui, Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, and Makoto Tsubota
Numerical study on superdiffusion of ultra-quantum turbulence in superfluid helium-4
2. Weican Yang, Makoto Tsubota
Vortex motion and dissipation mechanism in strongly coupled holographic superfluid
3. Yuto Sano, Makoto Tsubota
Anisotropic dynamics of formation of a quantized vortex lattice in a rotating Bose-Einsteincondensate
4. Tomo Nakagawa and Makoto Tsubota
Dynamics of Quantized Vortices between Oscillating Parallel Plates with Pinning Sites
5. Kenta Asakawa, Hideki Ishihara and Makoto Tsubota
Breathing Mode of the Bose-Einstein Condensate Trapped by the Self-Gravity
LT29, Sapporo, Japan Aug. 18-24, 2022
6. Kenta Asakawa, Hideki Ishihara and Makoto Tsubota
Breathing Mode of the Bose-Einstein Condensate Trapped by the Self-Gravity
7. Sosuke Inui and Makoto Tsubota
Formation of Vortex Lattice in Fully Coupled Superfluid 4He Simulation at Finite Temperature
8. Yuto Sano and Makoto Tsubota
Anisotropic dynamics of formation of a quantized vortex lattice in a rotating Bose-Einsteincondensate
9. Tomo Nakagawa and Makoto Tsubota
Dynamics of Pinned Vortices between Oscillating Plates; Quantum Turbulence in MEMS
Resonator
10. Kenta Asakawa, Hideki Ishihara and Makoto Tsubota
Dynamics of Self-Gravitating Bose-Einstein Condensates Based on The Gross-Pitaevskii-Poisson
Model
11. Weican Yang and Makoto Tsubota
Inverse energy cascade caused by abnormal motion of vortex dipoles in a holographic superfluid
12. Gamu Asaka, Tomo Nakagawa and Makoto Tsubota
Turbulent Plug in Channel Counterflow
13. Nobuyuki Shukuno, Yuto Sano and Makoto Tsubota
Faraday waves in Bose-Einstein Condensates
14. Hiromitsu Takeuchi
Quantum Elliptic Vortex in a Spinor Bose-Einstein Condensate
QFS2021: International Conference on Quantum Fluids and Solids (online), Bangalore, India, 8.
15-21 (2021)
15. Hiromitsu Takeuchi
Fractional Skyrmion due to Local Nematic Order in a Ferromagnetic Superfluid
FYR03 QLC meeting (online), 2. 17-19 (2022)
16. Hiromitsu Takeuchi
Vortex-core structure in the polar phase of spin-1 Bose-Einstein condensates

17

QFS2021: International Conference on Quantum Fluids and Solids (online), Bangalore, India, 8.
15-21 (2021)
17. Haruya Kokubo, Kenichi Kasamatsu, Hiromitsu Takeuchi
Phase diagram of pattern formation in binary Bose-Einstein condensates with shear flow
QFS2021: International Conference on Quantum Fluids and Solids (online), Bangalore, India, 8.
15-21 (2021)
18. I-Kang Liu, Shih-Chuan Gou, Hiromitsu Takeuchi
Phase Diagram of Solitons in the Polar Phase of a Spin-1 Bose-Einstein Condensate
52nd Annual DAMOP Meeting, American Physical Society, 5.31–6.4 (2021)
学会・研究会講演（日本物理学会、2022年年次大会、2022.3.15-19）
1. 浅川研太,石原秀樹,坪田誠
Gross-Pitaevskii-Poisson モデルによる自己重力 Bose 凝縮体の研究
2. 箕輪陽介,青柳翔太,乾聡介,中川朋,朝賀我夢,坪田誠,芦田昌明
レーザーアブレーション法による量子渦の可視化
3. 中川朋,坪田誠
振動する粗いプレート間にピニングされた量子渦の運動；MEMS 共振器中の量子乱流
4. Weican Yang, Makoto Tsubota
Abnormal vortex dynamic in holographic model
5. Sahar Hejazi, Juan Polo, Makoto Tsubota
Formation of local and global currents in a toroidal Bose-Einstein condensate via an
inhomogeneous artificial gauge field
6. Sosuke Inui
Dynamics of Localized Vortex Tangle in Superfluid 4He
Quantized Vortices and Nonlinear Waves, Online workshop, February 18-19, 2021.
（日本物理学会、2022年秋季大会、2022.9.12-15）
7. 宿野伸征、佐野融人、坪田誠,
Bose-Einstein凝縮体におけるFaraday waves励起のダイナミクス
8. 浅川研太、石原秀樹、坪田誠Gross-Pitaevskii-Poissonモデルによる自己重力ボース・アインシュタイン凝縮体のダイ
ナミクス
9. 乾聡介、坪田誠、小林宏充
回転する超流動4Heでの二流体結合に基づく渦格子形成
10. 中川朋、坪田誠
振動する平行平板にピニングされた量子渦のケルビン波励起
11. 佐野融人、坪田誠
回転原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体におけるエネルギースペクトルの異方性
12. 竹内宏光
強磁性相スピン１BECにおける磁壁のスピン流による不安定化：エキセントリック分数ス
キルミオンの生成機構
日本物理学会、年次大会、3.15-19 (2022)
13. 竹内宏光
スピン1BECポーラー相における量子渦の相図
日本物理学会、秋季大会（オンライン）、9.20-23 (2021)

18

ウェビナー
1. [Invited] Hiromitsu Takeuchi
Topological defects in easy-axis nematic Bose-Einstein condensates
UK Quantum Fluids network - webinars, UK, Nov. 9 (2021)
2. [Invited] Hiromitsu Takeuchi
Spin-Current Instability at a Magnetic Domain Wall in a Ferromagnetic Superfluid: a Generation
Mechanism of Eccentric Fractional Skyrmions
Quantum Spin Dynamics Laboratory, KAIST, Korea, Oct. 7 (2021)
3. [Invited] 竹内 宏光
量子楕円渦：U(1)対称性が破れた超流動相における巻き数１の量子渦の自発的"分裂"
Online CMT seminars, Aug. 24 (2021)

学位論文
博士論文
1. 韓 俊植「 2次元2成分ボース・アインシュタイン凝縮体中における量子渦のダイナミクスの理論的研究」
修士論文
1. 浅川研太「自己重力Bose-Einstein 凝縮体に関する理論的研究」

研究助成金取得状況
1.

2.

3.

4.

5.

坪田誠：科研費基盤研究(B)「量子流体力学と量子乱流の研究」
540万円
乾聡介：特別研究員奨励費「超流動ヘリウムにおける量子流体力学と量子乱流の理論的および数値的研究」
90万円
韓俊植：特別研究員奨励費「二成分冷却原子気体における量子渦のダイナミクスと量子乱流の示す統計則」
90万円
竹内宏光：科研費基盤（B）「量子相転移動力学の基盤となるスピノールBEC中の位相欠陥の内部状態と動力学の解明」
20万円
竹内宏光：科研費基盤（B）（分担）「２原子種ボース凝縮体の相分離過程の可視化と動的スケーリング仮説の実験的検証」
15万円

その他
受賞
1. 本研究室のOBの藤本和也(現東京工業大学助教)が、日本物理学会の「第16回若手奨励賞 領域1」を受賞した。
2. 中川朋が第29回低温物理学国際会議でBest Poster Awardを受賞した。

19

プレスリリース・解説記事
1. 坪田誠「光を用いて量子流体の渦を可視化 ―見えない渦を見る―」
プレスリリース：https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-00669.html
2. 坪田誠「量子乱流中における量子渦拡散の法則を解明」
プレスリリース：https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-01320.html
3. 竹内宏光
トピックス：http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/now/topics.html「量子楕円渦の発見：自発的対称性の破れの新展開」
4. 竹内宏光
プレスリリース：https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2021/210819「２種類の超流動体の界面模様の形成機構を解明 量子流体力学の発展につながる研究成果について」 (2021年8月19日)
5. 竹内宏光
プレスリリース「新種のスキルミオンを発見」：
https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2021/220209"Eccentric fractional skyrmion discovered in numerical simulations of ultra-cold superfluids"：
https://www.upc-osaka.ac.jp/new-univ/en-research/news/eccentric-fractional-skyrmion-discovered-in-numerical-simulations-of-ultra-cold-superfluids/
その他
1. 竹内宏光：日本物理学会

代議員

20

電子相関物理学研究室
小栗 章 教授
西川 裕規 講師
寺谷 義道 特任助教

堤 和彦 (D3)橋本 将史 (D2)小林 良輔 (M2)
本山 海司 (M1)川口 友也 (B4)佐伯 彰彦 (B4)
村川 和輝 (B4)

研究概要
我々が研究している量子不純物系は，軌道数，磁場やゲート電圧などの外場による不純物準位など多くの実験的に制御可能なパラメータを持ち，超伝導と近藤効果の競合なども含め，多彩な量子状態が実現される．我々は，高次フェルミ流体補正に現れる非線形感受率を通した３体ゆらぎの効果に関して，広いパラメータ空間の一部分を調べている．その成果として，電子正孔対称性や時間反転対称性を持たない，多軌道の量子ドット系に対して，非線形電流ゆらぎ・電流ノイズに対する高次フェルミ流体補正に関する微視的な Fermi 流体論を確立し論文を発表して来ている．特に，非平衡定常状態における Keldysh 形式の４点バーテックス関数の低エネルギーにおける振る舞いを明らかにした．また，小林研介教授（東大理，元阪大理）の実験グループとの共同で輸送現象を通した強相関電子系の低エネルギー量子状態の研究も進めて来た．
我々の研究の主題である近藤効果は，希薄磁性合金系において電気抵抗の温度変化に現れる
極小現れる現象として知られているものである．その本質は，金属中の伝導電子と磁性不純物に局在した量子スピンが強く結合した多体量子状態を形成することにあり，凝縮系物理学の重要な基礎概念の一つとなっている．また，その舞台は多方面に広がり，今日では量子ドット，冷却原子気体などの様々な系で研究の対象となっている．近藤効果の低エネルギー領域の性質は，Landauの Fermi 流体論の精神を受け継いだゼロ次元的な場の理論により記述される．最近，量子ドット
系では非平衡電流および電流ノイズの高感度測定によって，Fermi 流体を特徴づけるパラメータの決定が可能になってきた．それに伴い，従来の理論では十分でなかった非線形応答，および 電子励起と正孔励起の非対称性まで含めた輸送係数の高次体補正に関する検討が必要になっていた．
我々が 2017 年度に出版した “Higher-order Fermi-liquid corrections for ...
と題した 3 編論
文は，1970 年代からの懸案であった問題を，多体量子論・場の理論的アプローチから微視的に解決したものである．我々は，電子正孔対称性や時間反転対称性がない場合に低エネルギーにおける輸送係数の温度変化およびバイアス電圧による変化が，量子不純物系の基底状態における電子
占有数の線形感受率と三体非線形感受率よって決定されるこを多体量子論から微視的に証明した．
加えて，非線形感受率を数値くりこみ群を用いて精度良く求め，輸送係数の磁場依存性に見られるスケーリングおよび局在電子数の変化に対する依存性明らかにした．また，これをさらに発展させ，電流に印加電圧の 3 次の項が現れる非線形応答領域における多軌道系の非平衡電流および電流ノイズの絶対零度における厳密な公式を導き，近藤効果によるスケーリング則が電流ノイズに対しても成立することを示した．
我々は，この研究をさらに進めており，三体非線形感受率を軌道数 N が N = 4, 6, 8 などの系に対しては数値くりこみ群，より大きな N に対しては 1/(N − 1) 展開を用いた計算を実施している．小林研介教授の実験グループでは，カーボンナノチューブ量子ドットにおける近藤状態を介した非線形応答電流・電流ノイズの精密測定に成功していおり，共同研究を通し理論と実験の比較を行った．その結果，量子ドット系の輸送係数の測定から実験的に三体非線形感受率を決定し，磁場中の量子ゆらぎの効果に関するスケーリング則などに関する新たな知見を得ることができた．
我々はまた，超伝導に接続された量子ドット系に関する研究では，量子相転移およびクロスー
オーバーの問題に加え，複数の常伝導リードが接続された系で見られる交差アンドレーエフ散乱による非局所伝導に与える電子相関に関する問題に取り組んでいる．この研究は，株式会社先端
力学シミュレーション研究所の田中洋一氏および NTT 物性科学基礎研究所の山田康博氏との共同研究で多端子系の近藤効果との競合を詳細に調べている．特に，三角形三重量子ドット系のアンドレーエフ散乱の Fermi 流体領域における振る舞いについて進展があり，解析を進めている．

21

研究内容の詳細
以下，最近の研究の要点をより詳細に記す:• 2021 年度には，多数の軌道を持つ量子ドット系の非平衡近藤状態における電流ノイズに対す
る微視的フェルミ流体論の定式化を行った．非線形電流ゆらぎに対する電子相関の効果は，１個の準粒子励起のダイナミクスに加え，2 個の準粒子の衝突積分に対応するケルディシュ
形式の 4 点バーテックスのバイアス電圧依存性を 1 次まで正確に計算する必要がある．我々は，電子正孔対称性および時間反転対称性を持たない一般の場合における非線形電流ノイズの厳密な表式を導出し，さらに数値くりこみ群 (NRG) を用いて軌道数 N = 4, 6 の非線形
ファノ因子の近藤プラトー構造を明らかにした．我々はまた、量子ドットのトンネル接合およびバイアス電圧の非対称性が，低エネルギー Fermi 流体領域における非線形電気伝導与える影響を調べ，三体相関の寄与が価数揺動領域で増大すること等を明らかにした．
• 我々は、 超伝導および常伝導リードからなる多端子に接続された単一量子ドット系、および 3 角形 3 重量子ドットに関する研究を行っている．これらの系の基底状態は，超伝導リードとの接続により変化し，Andreev 散乱，Josephson 効果，および近藤効果が競合する多彩な変化を見せる．3 角形 3 重量子ドットでは，スピン一重項基底状態と２重項基底状態の間の間の準位交差が起り得る．これは局在電子軌道の縮退，あるいは長岡強磁性に起因する高スピン状態に起因し伝導電子による局所モーメントの完全遮蔽と不完全遮蔽の量子相転移として現れる．この系の低エネルギー状態は、相互作用する Bogoliubov 粒子系の局所 Fermi
流体として記述され、量子相の中にもクロス―オーバーを通して連続的に移り変わる性質の異なるいくつかの領域が現れることを NRG を用いて明らかにした．2021 年度には，広いパ
ラメータの範囲で調べた 3 角形 3 重量子ドット系の基底状態の相図に関する新展開を論文としてまとめ、掲載決定になっている．さらに，超伝導電極を含む多端子に接続された単一量子ドット系におけるのクーパー対の Andreev 散乱に関する研究を進めている．特に、一つの常伝導電極から入射した電子が他の常伝導電極に正孔を出射する交差 Andreev 散乱と近藤効果の競合、およびこれらに起因する非局所電気伝導度の磁場依存性に関する NRG による系統的な解析に基づく論文を作成中である．
•

フェルミ液体状態は、電子、ヘリウム３、中性子といった相互作用するフェルミ粒子の集団（フェルミ粒子多体系）で普遍的にみられる状態である。ランダウによるフェルミ液体論
は、「断熱接続の原理」による「準粒子描像の成立」が理論の要であるが、「断熱接続の原理」は、必ずしも「準粒子描像の成立」の必要条件ではない。 我々は、「準粒子描像は成立するが、断熱的連続は不成立のフェルミ多体系」というこれまで見落とされていた「新しいフェルミ液体」に注目し、それに関する研究を継続して行ってきた。 これまでの我々の研究活動や他研究グループの最新の研究から、新しいフェルミ液体の局所版である「新しい局所フェルミ液体」を実現する系の存在および新しい局所フェルミ液体相が電子相関由来のトポロジカル不変量で特徴付けられることが明らかにされている。 2021 年度には、これらの知見をさらに詳細に研究しつつ、物理学的に興味深い他の強相関量子不純物系における新しい局所フェルミ液体相の発見と解析を目的として研究を行った。また、新しい局所フェルミ液体の非摂動論的基底状態の有効模型を構築し、続いてその微視的な理論展開をすることを目指して研究を行った。

• ４重量子ドット上のリーブ磁性，Nagaoka 強磁性状態と，これらに接続された電子溜（リード線）からの伝導電子による Kondo 効果の研究を継続して行った．特に 2021 年度は、リーブ磁性に対する近藤効果についてこれまでの研究を含めて、以下述べるようにまとめ総括した。 斥力 Hubbard 模型の磁性に関する厳密な結果の 1 つとして、リーブの定理がありそ
れはフェリ磁性の出現を予測する。我々は、最小非自明なリーブフェリ磁性がＴ型 4 重量子ドット上に実現することに着目し、このフェリ磁性の近藤遮蔽の解明を行った。フェリ磁性の磁気モーメントが 2 段階で遮蔽されるが、磁性体を通して電気伝導は抑制されることを明22

らかにした。またこれらの特徴は、リーブフェリ磁性を破壊する方向のパラメータ摂動に対して堅牢であるが、パラメータ摂動に応じていくつかの異なった量子もつれ状態を経て、近藤遮蔽された基底状態に向かうことも明らかにした。

教育・研究業績
学術論文
1. “Kondo eﬀect in Lieb’s minimal ferrimagnetic system on the T-shaped bipartite lattice”,
Masashi Tokuda and Yunori Nishikawa, Phys. Rev. B 105, 195120 (2022) [7 pages].
2. “Kondo screening of local moments in a triangular triple quantum dot connected to normal
and superconducting Leads”, Masashi Hashimoto, Yoshimichi Teratani, Masaya Shirotani,
Yukihiro Nakata, Masashi Shimamoto, Yoichi Tanaka, Yasuhiro Yamada, and Akira Oguri,
accepted in JPS Conf. Proc. [6 pages].
3. “Current noise and Keldysh vertex function of an Anderson impurity in the Fermi liquid
regime”, Akira Oguri, Yoshimichi Teratani, Kazuhiko TsuTsumi, and Rui Sakano, Phys.
Rev. B 105, 115409 (2022) [37 pages].
4. “Nonlinear Fermi-liquid transport through a quantum dot in asymmetric tunnel junctions”, Kazuhiko Tsutsumi, Yoshimichi Teratani, Rui Sakano, and Akira Oguri, Phys.
Rev. B 104, 235147 (2021) [17 pages].
5. “Three-body correlations in nonlinear response of correlated quantum liquid”,
Tokuro Hata, Yoshimichi Teratani, Tomonori Arakawa, Sanghyun Lee, Meydi Ferrier,Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi,Nat. Commun. 12, 3233 (2021) [7 pages].

国際会議講演
1. Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, and Rui Sakano, “NRG study of nonlinear susceptibilities appearing in low-energy transport through N -level quantum dots”, International
Conference on Strongly Correlated Electron Systems (September 2021, ONLINE)
2. Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, and Rui Sakano, “Eﬀects of three-body correlations on
nonlinear current noise through an N -level Anderson impurity: NRG and large N studies”,
American Physical Society March Meeting (March 15-19, 2021, ONLINE)

学会・研究会講演
1. 最小フェリ磁性模型における近藤効果, 徳田将志, 西川裕規
The 26th symposium on the Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (2021.12.20–21, オンライン開催)
2. 4 重量子ドット系での Lieb フェリ磁性によるコンダクタンス抑制効果の堅牢性
徳田将志, 西川裕規
日本物理学会 (2021.9.20–23, オンライン開催)
3. 多重量子ドット系における非局所 Andreev 散乱：Fermi 流体論による研究 II
橋本将史, 寺谷義道, 小栗章, 山田康博, 田中洋一
日本物理学会 (2022.3.15–19, オンライン開催)

23

4. 非対称なトンネル結合を持つ SU(N) 量子ドット系に対する電子間相互作用の影響
堤和彦, 寺谷義道, 阪野塁, 小栗章
日本物理学会 (2022.3.15–19, オンライン開催)
5. 強相関 SU(4) 量子ドット系の輸送係数における３体 Fermi 流体補正
本山海司, 堤和彦, 寺谷義道, 阪野塁, 小栗章,
日本物理学会 (2022.3.15–19, オンライン開催)
6. SU(N ) Anderson 不純物模型における熱起電力および熱伝導度に対する 3 体 Fermi 流体補正, 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁
日本物理学会 (2022.3.15–19, オンライン開催)
7. 強相関極限における量子ドット系の非線形磁気伝導度
小林良輔, 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁
日本物理学会 (2022.3.15–19, オンライン開催)
8. N 重に縮退した局在準位を持つ量子ドットの非平衡輸送に表れる 3 体非線形相関：
1/(N − 1) 展開と数値くりこみ群による解析, 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁,
日本物理学会 (2021.9.20–23, オンライン開催)
9. SU(N ) 量子ドット系の非線形電流に対するトンネル結合の非対称性の効果,
堤和彦, 寺谷義道, 阪野塁, 小栗章,
日本物理学会 (2021.9.20–23, オンライン開催)
10. 多重量子ドット系における非局所 Andreev 散乱：Fermi 流体論による研究,
橋本将史, 寺谷義道, 小栗章, 山田康博, 田中洋一,
日本物理学会 (2021.9.20–23, オンライン開催)
11. 線形コンダクタンスの磁場応答を用いた近藤温度の見積もり,
阪野塁，秦徳郎，寺谷義道，荒川智紀，堤和彦，小林研介，小栗章,
日本物理学会 (2021.9.20–23, オンライン開催)

その他

学位論文
修士論文
1. 小林 良輔: 磁場中の量子ドット系の強相関 U = ∞ 極限における高次フェルミ流体効果研究助成金取得状況
1. 小栗章 (代表)：学術振興会・基盤研究 (C) 「メゾ・ナノスケール系における量子凝縮相の多電子相関と電流ゆらぎに関する理論的研究」60 万円 (直接経費)
2. 寺谷義道 (代表)：2021 年度笹川科学研究助成「近藤効果が発現する多軌道量子ドットにおける非平衡輸送に対する電子間相互作用の効果」50 万円

海外出張および海外研修

24レーザー量子物理学研究室
井上慎 教授堀越宗一 特任准教授
加藤宏平 特任助教

小林一平(M2)
京谷隆正(M2)
藤野真幸(M1)船波寛史(M1)

川口泰加(B4)
米田光佑(B4)

研究概要
1. BCS-BECクロスオーバー領域における状態方程式の実験的研究（堀越、船波）
クォークからハドロン、ハドロンから原子核、原子から分子を構成するように、基本粒子から複合粒子を構成することにより粒子の階層が生まれる。階層の分離の主な起源は構成粒子間相互作用と複合粒子間の相互作用が大きく異なるからである。しかし一般的にどのように複合粒子間相互作用が説明できるか 図 1 分子気体の運動量分布.
は容易ではない。そこで我々は冷却原子系で実現できる2つのフェルミ原子が2原子ボース分子を形成する過程に着目し、フェルミ原子間の相互作用とボース分子間の相互作用との関係を明らかにする研究を進めている。粒子統計の変化や粒子間相互作用の変化は気体の状態方程式を測定する事により検知することができる。そこで我々は粒子間相互作用が可変なフェルミ粒子である極低温リチウム６原子気体を用いて、フェルミ粒子として振舞うBCS領域からボース粒子として振舞う
BEC領域に渡る気体の状態方程式の測定を進めている。本年度は遂に実験装置の開発が完了し、図1に示しているように2原子分子気体が熱的な運動量分布(左)から絶対零度近くでボース凝縮(右)に変化する
様子を観測し、BCS-BECクロスオーバー領域における状態方程式測定の準備が整った。本成果は研究会
1で報告した。

2. 冷却原子実験の効率化を実現する機械学習・デジタ
ル技術の導入（堀越、船波、川口、米田）
上記のBCS-BECクロスオーバー領域における状態方程式の研究では長期のデータ取得が要求される。そのためには実験装置の安定化と実験室環境のモニタリングが必須である。まず実験装置の安定度
は実験パラメータの選び方に大きく依存する。しかし実験パラメータは多数存在し、その最適な組み合わせを探し出す作業は全点探査法では原理的に不可能である。そこで今年度は機械学習の1つであるベイズ最適化を実験制御系に組み込み、自動的に最適な実験パラメータを探し出すシステムを確立した。図25

図 2 ベイズ最適化の様子.

2にレーザー冷却原子を光トラップへ移行する際の8つのパラメータの最適化の様子を示した。図2は350回程度の実験で最適条件に到達している事を示している。本最適化に要した時間は、400回×11周×30s(実験時間とベイズ推定に要する時間)=37時間程度であった。このベイズ最適化により、光トラップに4.7×106個の原子が捕獲され、手動の最適化に比べ原子数が約1.5倍に増加した。この最適条件で1週間の連続運転を行った結果、レー
ザーパワーの変動に伴う粒子数の変動はあるものの、極めて安定に実験装置が稼働する事を確認した。本研究は川口泰加の卒業研究、研究会2で招待講演を行った。
レーザーパワーの変動や実験室の温度をモニターするデジタル技術やIOT技術も導入し、これについては研究会3で報告した。また、ディープニューラルネットワークの機械学習を用いた吸収イメージの画像解析にも米田光佑の卒研で取り組み、これについても研究会2で報告し技術的な課題等を議論した。
3． 混合ボース凝縮体生成装置の開発（加藤、井上）
我々はK 原子とRb 原子からなる混合ボース凝縮体の系を用いた非平衡ダイナミクスの観測を目指している。ボース凝縮体間の相互作用の大きさに応じて系は混合状態もし
くは相分離状態になるが、フェッシュバッハ共鳴を用いることにより相互作用は自在に制御することができる。従って、相互作用を急変（クエンチ）させることによって、相分離過程を直接観測することが可能である。特にクエンチによって生じたドメインの大きさ分布には動的スケーリング仮説と呼ばれる仮説が成り立つと期待されており、実験的な検証が待たれている。
スケーリング仮説の検証には、ドメイン分布を広いスケールで観測する必要がある。
それには、系の全体の大きさの拡大すなわちボース凝縮体中の原子数の増大とイメージ
ング解像度の改善が有効である。今年度は特に前者のボース凝縮体中の原子数の増大の為の混合ボース凝縮体生成装置の開発に取り組んだ。装置は常温の原子を冷却・捕獲する高真空側と更なる冷却と実際の実験を行う超高真空側に分かれるが、まず高真空側の改良としては、カリウム原子源の改良と二次元磁気光学トラップの実装を行った。カリ
ウム原子源の改良は原子源を実験に用いる同位体（４１カリウム）の存在比が高いものに変更する事で達成しており、概ね10倍程度の原子数の捕獲が期待できる。また、レーザー冷却・捕獲装置を従来用いていた三次元磁気光学トラップから二次元磁気光学トラップに変更することで冷却された原子集団を効率良く超高真空側に送り込むことができる。図3に実際に捕獲・輸送されているルビジウム原子集団を示す。図中央の赤点線内の細長い発光がルビジウム原子によるもので、図外右側に存在する超高真空側に差動排気用の銅管を通じて輸送されている。また、超高真空側の改良も現在進めている。レーザ
ー冷却された原子集団を蒸発冷却によって、凝縮するまで冷却するのに本研究では磁場トラップを使用している。イメージングの改善と原子数の増大の両立を狙った新しい磁場トラップを設計・作成しており現在装置の実装を進めている（図4）。

図3. 二次元磁気光学トラップによって捕獲・輸送されているルビジウム原子の様子

26

図4. 新磁場トラップ

4． 二次元箱型トラップ生成の為のアレクサンドライト固体レーザーの開発（京谷、加藤、井上）
上記の混合ボース凝縮体の系を用いた非平衡ダイナミクスの観測の為には、相互作用による密度分布の変化のダイナミクスをとらえる為にトラップによる密度分布への影響を極力排除しなければならない。従って、一般的に用いる調和型のトラップではなく箱型のトラップを用いる事が望ましい。箱型トラップの形成は、斥力光ポテンシャルを用いて原子を光の無い領域に閉じ込める事で実現できる。強い斥力光ポテンシャルを発生させるために、我々はルビジウム原子及びカリウム原子の共鳴から比較的近い755 nmの波長のレーザーを作成することにした。この波
長帯でシングルモード発振が可能でかつ高出力が期待できるレーザーとして、アレクサンドラ
イト結晶を用いた固体レーザーを選定し開発を進めた。レーザー共振器の設計に置いて、アレク
サンドライト結晶の励起光による発振波長の光の利得及び熱レンズ効果を把握しておくことが重要である。実際に利得と熱レンズ効果を測定した結果、利得は概ね想定通りであり熱レンズ
効果は比較的小さい事が分かった（図5）。この
結果は修士論文1にまとめられている。
図5. 熱レンズ効果の励起光強度依存性
5． カリウム原子を用いた高周波磁力計の開発（小林、加藤、井上）冷却原子実験において、スピン状態の操作の為にはラジオ波帯（RF）及びマイクロ波帯(MW)の電磁波を用いるのが一般的である。高速なスピン状態の操作には強いRF・MWが必要であり、発生源である共鳴アンテナの評価・開発が必要であるが、実際に照射される電磁波の強度の絶対値の決定には種々の実験的工夫を要する。バッファガス入り原子ガスセルを用いて原子の電磁波によるラビ振動（後述）を観測する高周波磁力計は電磁波強度の決定に物理定数しか関与しない為、比較的強度の較正が容易である。従って我々はカリウム原子ガスセルを用いた高周波磁力計の開発をおこなった。実際に観測された
ラビ振動の様子を図6に示す。特定のスピン状態に存在する原子の数を光の吸収によって観測することによって、電磁波によるスピン状態間の遷移（ラビ振動）をとらえている。
振動の周波数（ラビ周波数）の大きさから物理定数のみによって電磁波強度の絶対値を決定できる。しかし、図6にも示されている様にガスセル内の静磁場の不均一によって振動の減衰が生じ、これがラビ周波数の決定精度
を決める事になる。特に用いるスピン状態間の遷移によっては、静磁場に対するエネルギーレベルのシフト（ゼーマンシフト）の感度の違いに起因して誤差が無視できないほど大きくなる事が分かった。従って測定に用いる遷移に注意する必要がある。この結果は修士
図6 ラビ振動の観測の様子
論文2にまとめられている。
6． FPGAを用いた周波数ロック回路の開発（藤野、井上）
従来のレーザー冷却実験において、半導体レーザーの原子線への周波数ロックはオペ
アンプを用いたフィードバックが用いられてきたが、最近ではFPGAを用いたデジタル回路も市販されるようになった。しかし価格的にはまだ高価で、100万円を超す場合が多い。
そこで10万円程度の教育用FPGA機器を用いて周波数ロックを行うことを試みた。具体的には従来のPound-Drever-Hall法を用いた外部共振器半導体レーザーの周波数ロックの装置に、Liquid Instruments社のMoku:Goを組み込んでフィードバックを行うことを試みた

27

（図7）。テストの結果、周波数ロック自体は可能であるものの、使いやすさの面で課題があることが分かった。

図7

FPGAを用いた周波数ロックのセットアップ

教育・研究業績
学術論文
該当なし
国際会議会議録
該当なし
国際会議講演
1. Shin Inouye: "Measurement of the Variation of Electron-to-Proton Mass Ratio Using Ultracold
Molecules Produced from Laser-Cooled Atoms", New Opportunities for Fundamental Physics
Research with Radioactive Molecules, 2021/7/2, MIT（オンライン開催）（招待講演）
学会・研究会講演
1. 堀越宗一：「Bose-Einstein condensation of Feshbach molecules」
第7回クラスター階層領域研究会 東北大学
2. 堀越宗一：「ベイズ最適化を用いた圧縮磁気光学トラップの自動最適化」
第７回 量子技術・機械学習 融合ミーティング（招待講演）
3. 堀越宗一：「IOTを用いた実験状況の監視システム」
第3回 冷却原子研究会「アトムの会」 オンライン開催
4. 船波寛史、井上慎、堀越宗一, 加藤宏平, 「スピン自由度のあるBECの位相コントラスト
イメージングにおける測定の反作用の評価」,日本物理学会2021年秋季大会. (2021年9月21日)（オンライン開催）
5. 京谷 隆正, 「アレキサンドライト結晶を用いたDPSSレーザーの開発」, 第3回 冷却原子研究会「アトムの会」(2021年8月11日)(ポスター発表)

学位論文
修士論文
1. 京谷隆正：「アレクサンドライト結晶を用いたDPSS レーザーの開発」
2. 小林一平：「カリウム原子気体を用いた高周波磁力計の開発」

研究助成金取得状況
1.

井上慎：日本学術振興会・基盤研究(B)「２原子種ボース凝縮体の相分離過程の可視化と

28

2.
3.

動的スケーリング仮説の実験的検証」5,590千円
堀越宗一：日本学術振興会・新学術領域研究(研究領域提案型)「物質の階層変化および状態変化に伴う普遍的物理」18,980千円
加藤宏平：日本学術振興会・若手研究「強い閉じ込めポテンシャル中の普遍的な少数分子状態の観測と安定化法の探索」1,820千円

アウトリーチ活動1.

井上慎：アインシュタイン ノーベル賞受賞100年記念 博学連携講演会 「光の物理とアインシュタイン」 主催：⼤阪市⽴⼤学、⼤阪市⽴科学館、⼤阪市博物館機構（YouTube配信）2021/12/4

主催研究会
1.

第３回冷却原⼦研究会「アトムの会」（世話⼈：井上（⼤阪市⼤）、加藤（⼤阪市⼤）、
岸本（電通⼤）、中島（京⼤）、福原（理研）、藤本（名⼤）、堀越（⼤阪市⼤））2021年8⽉10⽇-11⽇、オンライン開催

29

宇宙線物理学研究室
荻尾彰一
常定芳基
Jihyun Kim
Rosa Mayta Palacios
多米田裕一郎
大嶋晃敏
小島浩司

教授
准教授
研究員
研究員
客員講師
客員准教授
客員教授

尾村勇吾 (D3)藤田慧太郎 (D3)
荒井優斗 (M2)
佐藤光希 (M2)木村優介 (M2)
津田涼輔 (M2)岩崎葵 (M1)
有村龍平 (M1)
古前壱朗 (B4)
敷田淳 (B4)
藤本紘史 (B4)

研究概要
1. 宇宙線望遠鏡実験 (Telescope Array 実験、TA 実験)（荻尾、常定、Kim, Mayta,、藤田、尾村、佐藤、荒井、木村、津田、有村、岩崎、古前、敷田、藤本、多米田）
エネルギー 1018 eV (EeV) 以上の「超高エネルギー宇宙線」をターゲットとした国際共同研
究で、 この宇宙における最も激烈な粒子加速現象の起源を解明することを目的とし、米国
ユタ州の 砂漠に建設された有効検出面積約 700 km2 の北半球最大の装置を用いて 2008 年 3月から定常観測を行っている。
宇宙線は荷電粒子であるため宇宙空間では磁場の影響を受けるため直進せず、地球への到来
方向から起源天体の方向を同定することが難しいが、最高エネルギー領域宇宙線は直進性が高いため、高統計での観測を行えば宇宙線到来方向分布の「異方性」が見えてくることが期
待されている。これまでの TA 実験の 10 年分の観測データを用いた解析では、おおくま座
領域において宇宙線の到来数が他と比べて多い「ホットスポット」の存在が示唆されており、観測データのさらなる蓄積と解析が進められている。また TA から見て宇宙の「北」の領域から到来する宇宙線と、「南」から到来する宇宙線ではエネルギースペクトルが異なるかもしれないという解析結果も得られており、宇宙線の起源天体分布と伝播機構に対する ヒントが得られるとの期待から、より統計精度を上げるべく観測が進められ、さらに次の項目２で述べる観測装置の拡張が行われている。
本研究室は実験装置の設計 · 開発段階から現在まで研究グループの主力として本実験に参加している。データ解析を推し進めるほか、観測シフトや検出器の改良 · 安定稼働のための作業にも積極的に参加している。2021 年度は特に TA 実験地表検出器アレイによって観測された 4EeV から 8EeV までの超高エネルギー宇宙線の到来方向異方性の研究、特に赤経分布
異方性の周期解析を推し進めた。この成果は日本物理学会、第 37 回宇宙線国際会議などで発表された。

2. TA×4 実験、TALE 実験（荻尾、常定、Kim, Mayta, 藤田、尾村、佐藤、荒井、津田、有村、
岩崎、古前、敷田、藤本、多米田）
前述のように、宇宙線の起源天体を直接同定するためには、高統計、すなわち観測データの蓄積が最も重要である。そのため、TA 実験 の有効検出面積を 4 倍に拡大する 「TAx4 計画」が提唱され、2015 年度に予算が認められた。2018 年度には、計画全体のほぼ半数、257
台の地表検出器と 4 台の大気蛍光望遠鏡の設置を完了し、実験装置としての稼働を開始した。また、TA 実験のエネルギーしきい値を 1016 eV 以下にまで下げ、1016 eV から 1020 eVまでの 4 桁におよぶ広いエネルギー範囲での宇宙線のエネルギースペクトルと化学組成の精密測定を目指す「TALE 計画」が立案され、これも 2015 年度に予算が認められた。2017年度に は地表検出器の設置を完了し、2018 年 11 月から本格定常観測を継続している。さらにエネルギーしきい値を下げるための「TALE inﬁll 計画」も 2019 年度に予算化され、50台の地表検出器を追加設置すべく、その準備を進めている。本研究室は TALE 実験の代表

30

研究機関であり、また TAx4 実験の主力推進機関でもある。 2021 年度は特に以下の研究課
題に取り組んだ。
本研究室は TALE 実験の代表研究機関であり、2021 年度は、研究室全体で TA 実験、TALE
実験のリモート運用を継続しつつ、特に以下の研究課題に取り組んだ。

(a) TALE 実験地表検出器アレイによって観測された 1EeV から 4EeV までの超高エネルギー
宇宙線の到来方向異方性の研究。特に赤経分布異方性の周期解析をおこなった（木村）(b) TALE 実験ハイブリッド観測データのための解析プログラムの開発、性能評価と、実観測データに基づくによる 1016.5 eV から 1018 eV までの領域の超高エネルギー宇宙線のエネルギースペクトルと化学組成の測定（藤田）(c) TALE 実験地表検出器アレイによる大気蛍光望遠鏡 (FD) のためのイベント再構成ソフ
トウェアの開発 (藤田)(d) TALE 地表検出器アレイデータのための解析プログラムの開発、性能評価と、実観測データに基づく 1017 eV から 1018 eV までの領域の超高エネルギー宇宙線のエネルギー
スペクトルの測定（佐藤）(e) TALE 地表検出器アレイデータから一次宇宙線の原子核種を決定するための、機械学習を用いた解析プログラムの開発と性能評価（有村）(f) TALE inﬁll 実験ハイブリッド観測データのための解析プログラムの開発、性能評価。
さらにそれに基づく地表検出器設置点の決定（岩崎）これらの成果は日本物理学会、第 37 回宇宙線国際会議などで発表された。

3. TA 実験サイトにおけるチェレンコフ光観測：NICHE 実験（常定、尾村、津田）TA 実験で観測対象としている最高エネルギー宇宙線は、銀河系内にはその起源となりうる
ような天体（エネルギー 1018 eV にまで粒子加速が可能な天体）が見当たらず、その起源は銀河系外にあると考えられている。一方、数としては圧倒的に多いそれ以下のエネルギーの宇宙線の起源は銀河系内にあると考えられており、例えば超新星残骸における粒子加速が有効に働くという理論予測は大方の研究者から支持されている。ただし銀河系内天体が宇宙線をどこまで加速することができるのかという問題は未解決であり、「低エネルギー = 銀河系
内、高エネルギー = 銀河系外」という現在の理解はどこに境界があるのかはっきりしていない。これを解決する鍵になるのは、宇宙線の原子核組成の解明であり、銀河系内天体であれば電荷が大きく加速されやすい重い原子核が多いはずであるが、銀河系外起源であれば長い距離を伝播する間に破砕反応によって壊れてしまい軽い原子核が多いと考えられている。
これを観測的に決定するために、TA サイトに低エネルギー宇宙線観測に適した「空気チェレンコフ光検出器」を設置するのが本研究で進める NICHE 実験である。2017 年度から観測がスタートしており、宇宙線のエネルギースペクトルと原子核組成決定のためのデータ解析を行った。NICHE のエネルギースペクトルと質量組成データからは、1015 ∼ 1016 eV の間には劇的な変化は起こっておらず、銀河系内-銀河系外起源の宇宙線の移り変わりのエネル
ギーは 1016 eV 以上であることが示唆された。この成果は日本物理学会、第 37 回宇宙線国際会議などで発表された。また従来の統計的データ解析手法に加え、CNN（畳み込みニュー
ラルネットワーク）を用いた機械学習アプローチの解析手法を開発した。
4. 国際宇宙ステーションにおける宇宙線観測（常定）
全宇宙線フラックスのうち約 1% は電子・陽電子成分が占める。高エネルギーの電子・陽電子は銀河磁場中ではシンクロトロン放射によりすみやかにエネルギーを失うため、もし地球で高エネルギーの電子・陽電子が観測されれば、その起源天体は地球の近傍に存在しているはずである。宇宙線の加速源として超新星残骸が有力視されていることを考え合わせると、地球で観測される高エネルギー電子の起源は「若くて近傍」の超新星残骸に限られることになり、候補天体はかなり絞られる。したがって宇宙線の起源天体同定は、原子核成分よりもまず電子成分でなされるかもしれない。このような動機のもと、宇宙線電子成分の検出器に

31

最適化された検出器 CALET (CALorimetric Electron Telescope) の開発が行われ、2015 年
8 月 19 日に種子島宇宙センターから H-IIB ロケット５号機 (HTV5) によって打ち上げられ、国際宇宙ステーション (ISS) の日本実験施設「きぼう」に設置され、観測が始まった。
宇宙線 · 宇宙電子検出器、ガンマ線バースト現象を捉えるための専用検出器 (CGBM) は順調に稼動しており、データ解析が進められている。2021 年度は宇宙線鉄原子核の精密なエネ
ルギースペクトルを得ることに成功するなど、画期的な成果をあげた。

5. 南米ボリビアの高地における宇宙線観測（常定、小島、大嶋、荻尾、Mayta）
エネルギーが 1015∼16 eV 程度の宇宙線は、エネルギースペクトルに折れ曲がりが存在し、さらに銀河系内の超新星残骸などにおける加速の最高エネルギーと考えられていることもあって非常に重要なエネルギー領域である。このエネルギーの宇宙線は地表（海抜 0m）には到達しないため、高山で観測を行う必要がある。この実験は南米アンデス山脈の 5, 000 m 級の山において宇宙線を観測するもので、ボリビア・ラパスから近いチャカルタヤ山宇宙線観測所で行われてきた。実験は 1960 年代から行われていたが、装置の老朽化、人的資源の枯渇などにより 2015 年にいったん打ち切ることが決定された。その上で、新たに東京大学宇宙線研究所、神奈川大学、日本大学などの研究者が加わり、チャカルタヤ山中腹の高度 4, 800
m の高原において新たな宇宙線観測プロジェクトを立ち上げることが現地のサンアンドレス大学とも合意された。全メンバーの投票によって、プロジェクト名は ALPACA と決定した。この実験では、宇宙線原子核成分のみならず、宇宙ガンマ線を捉えることを目的としている。ガンマ線は原子核や電子成分とは異なり宇宙磁場の影響を全く受けずに直進するので起源天体を同定できる可能性が高い。この実験の強みは、高度 4, 800 m というガンマ線観測所としては世界最高高度に位置する装置を南半球に設置することにあり、銀河中心を含む
我々の銀河系の広い領域を見渡しガンマ線観測を行うことにある。2020 年度中に検出器設置
場所のインフラ整備が整い観測小屋も完成し、2021 年度からは検出器の設置もはじまった。

6. 次世代の超高エネルギー宇宙線観測用大気蛍光望遠鏡の開発 (CRAFFT 実験)（多米田）最高エネルギー領域の宇宙線観測を目的として TA 実験の拡張計画てである TA × 4 実験が開始したように、最高エネルギー領域の宇宙線観測には非常に大規模な観測装置が必要となる。TA × 4 実験により、宇宙線の到来方向のホットスポットの存在かが確立され、天源天体が見つかれば、宇宙線による天文学が可能となり、宇宙線観測装置にはさらなる大規模化か゛求められることになる。こうした将来の大規模化を見据えて、現在低コストで建設・運用を目指した大気蛍光望遠鏡 (CRAFFT, Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel-lens Telescope)
を多米田が主導し開発している。2021 年度は、宇宙線空気シャワーのジオメトリ再構成手法の開発、検出器構成の最適化、および検出器較正を勧めている。これらの成果は、第 37
回宇宙線国際会議、日本物理学会第 77 回年次大会なとどて゛報告された。

7. 高感度 CMOS カメラシステムによる高速飛翔暗黒物質と流星の探索（多米田）
宇宙には暗黒物質の存在が確実視されており、様々な実験により暗黒物質の探索が行われているが、未だ発見には至っていない。本研究では、暗黒物質の候補の一つである Nucleariteの探索を行っている。Nuclearite とは、マイクロサイズのストレンジクォーク体 (SQM) が電子を捕獲し電気的に中性化したものであり、宇宙開闢の時期や中性子同士の衝突などで生成されると考えられている。2021 年度は、TA 実験サイトへの定常設置を目的に遠隔操作シ
ステムを導入し電力自給システムによる稼働試験を行っている。これらの成果は、第 37 回
宇宙線国際会議などで報告された。

8. GRAPES-3 実験による空気シャワー観測とミューオン観測（小島、林、大嶋） インド・タ
タ基礎研究所との共同研究 GRAPES-3 において、約 100 GeV の銀河宇宙線の連続観測による宇宙天気研究および惑星間空間の研究と、数 10TeV〜10PeV の銀河宇宙線に関する原子
核組成や異方性、高エネルギーガンマ線の探索を行なっている。2021 年度は、前年に引き続き国内外での新型コロナウィルスの影響により、海外渡航を主とする共同研究活動を計画通りに進めることができなかった。とくに、インドにおける感染状況が著しく、GRAPES-3 の32

あるタミルナドゥ州 Ooty へのアクセスが制限されたこともあり、新型ミューオン検出器の建設工事も滞った。一方、オンラインによるグループミーティングは継続することができ、データ解析に関する打合せと実験進捗の報告がそれぞれ週 1 回程度で行なった。これにより、
空気シャワーデータ解析に進展があり、空気シャワー観測の角度精度を大幅に改善することができた。これらに関する研究成果は、第 37 宇宙線国際会議において報告した。また、以下に示す学術論文の発表と各種学会・研究会での発表を行なった。

教育、研究業績

学術論文
1. “The Cosmic-Ray Composition between 2 PeV and 2 EeV Observed with the TALE Detector in Monocular Mode”, Astrophys. J., 909, 178 (2021)
2. “Observation of variations in cosmic ray single count rates during thunderstorms andimplications for large-scale electric ﬁeld changes”, Phys. Rev. D, 105, 062002 (2021)
3. “Surface detectors of the TAx4 experiment”, Nuclear Instr. Meth. A, 1019, 165726 (2021)
4. “Detectability of southern gamma-ray sources beyond 100 TeV with ALPAQUITA, theprototype experiment of ALPACA”, Exp. Astron., 52, 82-107 (2021)

国際会議会議録
1. Y. Tameda, ”The status and performance of Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel lensTelescope (CRAFFT) for the next generation UHECR observatory”, Proceedings of Science, PoS(ICRC2019) (2021) 435.
2. F. Bisconti, J.W. Belz, M.E. Bertaina, S. Blin-Bondil, F. Capel, M. Casolino, T. Ebisuzaki,
J. Eser, P. Gorodetzky, J.N. Matthews, E. Parizot, L.W. Piotrowski, Z. Plebaniak, G.
Prevôt, M. Putis, H. Sagawa, N. Sakaki, H. Shin, K. Shinozaki, P. Sokolsky, Y. Takizawa,Y. Tameda and G.B. Thomson, ”EUSO-TA ground based ﬂuorescence detector: analysisof the detected events”, Proceedings of Science, PoS(ICRC2019) (2021) 197.
3. F. Kajino, I. Ide, R. Ide, Y. Tameda, K. Shinozaki, M.E. Bertaina, A. Cellino, M. Casolino,
T. Ebisuzaki, Y. Takizawa, L. Piotrowski, H. Sagawa and J.N. Matthews, ”Study forMoving Nuclearites and Interstellar Meteoroids using High Sensitivity CMOS Camera”,
Proceedings of Science, PoS(ICRC2019) (2021) 525.

国際会議講演1. K. Fujita, “Cosmic Ray Composition in the Second Knee Region as Measured by the TALE
Hybrid Detector”, 37th ICRC (2021), Berlin（オンライン）2021/07/12-23
2. Y. Omura, “Energy spectrum and the shower maxima of cosmic rays above the knee region
measured with the NICHE detectors at the TA site”, 37th ICRC (2021), Berlin（オンライン）2021/07/12-23
3. Y. Tsunesada, “Measurement of the cosmic ray energy spectrum by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array”, 37th ICRC (2021), Berlin（オンライン）2021/07/12-23
4. K. Sato, “The Cosmic ray energy spectrum in the 2nd knee region measured by the TALESD array”, 37th ICRC (2021), Berlin（オンライン）2021/07/12-23

33

5. S. Ogio, “The status of the TALE surface detector array and a TALE inﬁll project ”, 37th
ICRC (2021), Berlin（オンライン）2021/07/12-23
6. Y. Tameda, ”Progress and future prospect of the CRAFFT project for the next generation
UHECR observation”, 37th ICRC (2021), Berlin（オンライン）
7. “An Advanced Triggerless Data Acquisition System for GRAPES-3 Muon Detector”, A.
Jain et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:257
8. “The azimuthal distribution of thunderstorm events recorded by the GRAPES-3 experiment”, B. Hariharan et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:378
9. “Measurement of large angle muon ﬂux in GRAPES-3 experiment using triggerless DAQ
system”, B.Hariharan et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:379
10. “Cosmic ray energy spectrum and composition measurements from the GRAPES-3 experiment: Latest results”, F. Varsi et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference
ID:388
11. “A study of the Moon shadow by using GRAPES-3 muon telescope”, M. Zuberi et al.,Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:389
12. “Zenith angle dependence of pressure eﬀect in GRAPES-3 muon telescope”, M. Zuberi etal., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:390
13. “Measurement of the improved angular resolution of GRAPES-3 EAS array by the observation of the Moon shadow”, D. Pattanaik et al., Proc. 37th International Cosmic Ray
Conference ID:391
14. “Large-scale cosmic ray anisotropy measured by the GRAPES-3 experiment”, M. Chakraborty
et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:393
15. “Vetoing the high energy showers in the GRAPES-3 experiment whose cores lie outside thearray”, M. Chakraborty et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:394
16. “An extensive study for correcting the nonlinear particle density measured by GRAPES-3
scintillator detectors”, A. Chandra et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference
ID:396
17. “Characterizing the isotropic diﬀuse gamma-ray ﬂux (10-300 TeV) by the GRAPES-3
experiment”, B.P. Pant et al., Proc. 37th International Cosmic Ray Conference ID:871
18. “High-resolution two-dimensional map of the solar-time anisotropy obtained by the GRAPES3 large-area muon telescope”, H. Kojima et al., Proc. 37th International Cosmic Ray
Conference ID:1303

学会・研究会講演
1. 有村龍平：「TA 実験 376: TALE 実験全体報告 7」、日本物理学会 2022 年年次大会
2. 岩崎葵：「TA 実験 377： TALE inﬁll SD の製作状況と TALE inﬁll ハイブリッド検出器の測定精度」、日本物理学会 2022 年年次大会
3. 藤田慧太郎：「TA 実験 380: TALE 実験ハイブリッド観測によるエネルギースペクトル及び
質量組成測定 (2)」、日本物理学会 2022 年年次大会
4. 尾村勇吾：「TA 実験 381：jNICHE - TA サイトにおける空気チェレンコフ光観測によるエネルギースペクトルと質量組成解析結果」、日本物理学会 2022 年年次大会
5. 藤田慧太郎：「TA 実験 367: TALE 実験ハイブリッド観測によるエネルギースペクトル及び
質量組成測定」、日本物理学会 2021 年秋季大会、オンライン開催

34

6. 尾村勇吾：「TA 実験 372：jNICHE - TA サイトにおける空気チェレンコフ光観測によるエネルギースペクトルと空気シャワー最大発達深さの推定」、日本物理学会 2021 年秋季大会、
オンライン開催
7. 木村優介：「TA 実験 368: TALE-SD 及び TA-SD で測定された宇宙線の到来方向の異方性解析」、日本物理学会 2021 年秋季大会、オンライン開催
8. 岩崎葵：「TA 実験 369: TALE 実験の inﬁll SD アレイによる拡張と観測精度などのシミュ
レーションによる評価」、日本物理学会 2021 年秋季大会、オンライン開催
9. 多米田裕一郎, 柴田規迪, 西尾瑛司, 冨田孝幸, 窪田悠人, 中村雄也, 池田大輔, 山崎勝也,「CRAFFT 実験 12：観測計画と準備状況」, 日本物理学会第 77 回年次大会 (2022)
10. 小島浩司：「大面積高精度 muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究 (27)」、日本物理学会・2021 年秋季大会（オンライン開催）
11. 大嶋晃敏：「大型ミューオンテレスコープによる銀河宇宙線強度の観測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」、2021 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果
発表会、2022 年 1 月、オンライン開催
12. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 大型ミューオン望遠鏡による宇宙天気観測」、2021 年度 ISEE 研究
集会「太陽地球環境と宇宙線モジュレーション」、「太陽風プラズマ物理の最新成果と今後の展望」および「太陽圏・宇宙線関連の共同研究成果報告会」、2022 年 3 月、オンライン開催
13. 大嶋晃敏：「大型ミューオンテレスコープを用いた宇宙天気観測」、 日本物理学会第 77 回
年次大会、2022 年 3 月、オンライン開催
14. 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 (28)」、 日本物理学会第 77 回年次大会、2022 年 3 月、オンライン開催

受賞など
1. 常定芳基：教員活動表彰（学長重点事項 · サイテーション）

その他
1. 荻尾彰一：小中学生サマーラボ 講師
2. 荻尾彰一：大阪府立泉北高校 高大連携講座 講師
3. 荻尾彰一、常定芳基、多米田裕一郎: 宇宙を学べる大学合同説明会、2021 年 6 月 13 日

学位論文
博士論文
1. 尾村勇吾「Second Knee 領域における宇宙線のエネルギースペクトル及び化学組成の決定」、
大阪市立大学博士論文、2022 年３月
2. 藤田慧太郎、“Cosmic Ray Energy Spectrum and Mass Composition Measurement with
the Telescope Array Low energy Extension Detector in Hybrid Mode”、大阪市立大学博士
論文、2022 年３月

35

修士論文
1. 荒井優斗：「時間波高変換器 (TAC) を用いたミューオンの寿命測定実験プログラムの開発」
2. 木村優介：「TA および TALE の地表検出器アレイを使った宇宙線異方性の研究」
3. 佐藤光希：「TALE 地表検出器アレイによる 2nd knee 領域の宇宙線エネルギースペクトルの測定」
4. 津田涼輔：「畳み込みニューラルネットワークを用いた NICHE 空気シャワーイベント再構
成手法の開発」

研究助成金取得状況
1. 荻尾彰一：科学研究費補助金（科研費）
・基盤研究 (S)「広エネルギー領域の精密測定による超高エネルギー宇宙線の源と伝播の統一的解釈」、代表、2,807 万円
2. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「TALE 実験用地表検出器開発と性能試
験」、代表、38 万円
3. 常定芳基：科研費・若手研究 (A)「銀河系内-系外宇宙線のエネルギー境界の確定と宇宙線起源論」、代表、200 万円
4. 常定芳基：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「ボリビア · チャカルタヤ山宇宙線観測所
における高エネルギー γ 線 · 宇宙線観測のための空気シャワー実験」、代表、260 万円
5. 多米田裕一郎：東京大学宇宙線研究所共同利用研究「次世代の超高エネルギー宇宙線観測のためのフレネルレンズ型大気蛍光望遠鏡の開発研究」代表、54 万円
6. 多米田裕一郎：科学研究費補助金基盤研究（S）「広エネルギー領域の精密測定による超高エネルギー宇宙線の源と伝播の統一的解釈」分担、 91 万円
7. 多米田裕一郎：科学研究費補助金基盤研究（A）「テレスコープアレイによる超高エネルギー
宇宙線のエネルギースペクトル異方性の研究」分担、 100 万円
8. 多米田裕一郎：科学研究費補助金基盤研究（B）「高速で飛翔する暗黒物質と太陽系外起源流星の探索」分担、 40 万円
9. 大嶋晃敏：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「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」：40 万円10. 大嶋晃敏：中部大学先端研究センター「宇宙線による宇宙天気観測の高精度解析手法の開発」：100 万円

海外出張および海外研修
1. コロナ禍のためなし

その他
1. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所 客員教授
2. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所 運営委員
3. 荻尾彰一：宇宙線研究者会議 (CRC) 実行委員長
4. 荻尾彰一：ICRC2023 組織委員長
5. 常定芳基：宇宙線研究者会議 (CRC) 実行委員
6. 常定芳基：東京大学宇宙線研究所 共同利用研究運営委員
7. 常定芳基：CRC 将来計画検討小委員会 委員

36

8. 常定芳基：ICRC2023 総務委員
9. 多米田裕一郎:国際会議 ICRC2023, LOC
10. 多米田裕一郎:CRC 事務局総務補佐

37

高エネルギー物理学研究室
清矢 良浩
山本 和弘
手島 菜月

教授
准教授
NITEP 研究員

本條 貴司 （D1）
植松 泰智 （M2）
高安 咲妃 （M2）西崎 勁矢 （M2）長谷 和哉 （M1）山本 達也 （M1）

金子 聡
（B4）
川村 悠馬 （B4）田川 椋平 （B4）

研究概要
1. 陽子・反陽子衝突型加速器を用いた素粒子実験（清矢，山本）
米国フェルミ国立加速器研究所の陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用素粒子検出器 CDF によって得られたデータの解析を継続していたが，新たな結果が得られたので簡単に報告する．データ取得自身は 2011 年 9 月末に終了しており，解析に使用できるデータ量は最終的に約 10 fb−1 である．
今回報告するのは W ボソン崩壊電子の幾何学的な意味での微分断面積に現れる荷電非対称性の測定である．テバトロンにおいて，例えば W + ボソンの約 90% は u クォークと d¯
クォーク（W − は d クォークと ū クォーク）で生成されるが，陽子を構成する u クォークとd クォークがもつ運動量の確率的分布は異なる．従って生成される W + と W − のローレン
ツブーストも異なり，この非対称性は崩壊電子と崩壊陽電子の幾何学的分布の違いに反映される．陽子内におけるクォークの運動量確率分布は parton distribution function（PDF）と呼ばれる．これら PDF の理解は，LHC 等のハドロン衝突実験においても重要であり，PDFに感度のある W ボソン崩壊電子と陽電子の荷電非対称性の測定は，PDF の系統誤差抑制に重要な寄与を与える．また，テバトロンは反陽子を用いているため，反クォークの存在様式が，陽子・陽子衝突型加速器 LHC の場合のような陽子内におけるそれとは大きく異なる
ため，LHC とは独立の制限を与えることができる点でも重要である．
陽子ビーム軸に対する極角を θ とするとき，微分断面積の変数として採用するものはpseudorapidity と呼ばれる物理量 η であり，η ≡ − ln tan 2θ で定義される．測定する非対称性は
dσ (+) /dη − dσ (−) /dηA=dσ (+) /dη + dσ (−) /dη
である．ここで dσ (±) /dη は e± の η に関する微分断面積である．µ 粒子による測定も可能ではあるが，CDF 実験において µ 粒子検出器がカバーしている幾何学的な領域が限定的であるため電子のみに注目している．測定結果を図 1 に示す．例えば η = 0 付近の領域では1.6% 程度の非対称性を測定している．測定誤差は概ねどの領域も 10% 程度という結果になっている．

図 1：W ボソン崩壊電子の荷電非対称性測定の結果．横軸は pseudorapidity と呼ばれる物理量であり，定義は本文を参照．黒実線ヒストグ
ラムが CDF 実験の結果．青点はテバトロンにおけるもう一つの実験グループ DØ による結果．緑実線ヒストグラムは理論計算の一つ．

38

2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本，手島，小幡，本條，高安，西崎，川村）
今年度も昨年度に引き続き，長基線ニュートリノ振動実験 T2K を継続した．加速器から
は 4 月にビームが供給され，これまでに得られた全 POT(Protons On Target: π 中間子生成
標的に照射した陽子数) は 3.82 × 1021 に達した．ニュートリノと反ニュートリノの内訳は，ニュートリノモード（FHC）で 2.17 × 1021 POT (56.8%)，反ニュートリノモード（RHC）で1.65 × 1021 POT(43.2%) である．ここで F（R）HC とは Foward (Reversed) Horn Currentの略である．J-PARC メインリングの最大ビームパワーは 522.6kW に達した．5 月以降はメインリングのパワー増強工事のためシャットダウンとなった．データ解析はニュートリノモー
ドで 1.9664 × 1021 POT，反ニュートリノモードで 1.6346 × 1021 POT の統計で行い，スー
パーカミオカンデで得られた FHC/RHC1 リングサンプルおよび FHC1 リング νe 荷電カレ
ント 1π + サンプルを用いた．ニュートリノ振動データ解析は，νµ あるいは ν̄µ が消失する
事象と，νe あるいは ν̄e が出現するデータを同時にフィットを行ったり，原子炉ニュートリ
ノ実験の結果をフィットの入力に加えるなど総合的に行っている．図 2 は Normal Orderingの場合の sin2 θ23 と ∆m232 の許容範囲を示す．Normal Ordering とはニュートリノの質量階
層性のパターンの一つを意味しており，ニュートリノの質量固有状態 ν1 ，ν2 ，ν3 の質量に対して m1 < m2 < m3 の場合である．もう一つのパターンは m3 < m1 < m2 の場合であり，Inverted Ordering と呼ばれる．図 2 には他の実験の結果も一緒に示してあるが，T2K実験が世界最高水準の θ23 と ∆m232 測定を得ていることが分かる．振動パラメータの最尤値
は sin2 θ23 = 0.559，∆m232 = 2.485 × 10−3 eV2 となっており，ν2 と ν3 の間の混合角 θ23 は最大混合 (θ23 = π/4) と無矛盾であるが，多少 π/4 よりは大きな最尤値が得られている．

∆m232 [eV2/c 4]

−3

× 10
3

T2K Preliminary

T2K run 1-10

Super-K 2020

NOν A 2020

IceCube 2017

Best fits

2.8
2.6

図 2：Normal Ordering のときのニュートリノ
振動パラメータ sin2 θ23 と ∆m232 の測定結果．
他の実験の結果も示してある．青の実線が T2K実験の結果．

2.4
2.2
90% C.L.
Normal ordering

2
0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

sin2θ23

図 3 は sin2 θ13 と δCP の許容範囲である．δCP はニュートリノの CP 対称性の破れを示す
パラメータであり，物質優勢の宇宙の謎を解き明かす鍵となる量である．θ13 の T2K 実験の測定結果は原子炉実験による制限 (緑の帯) と無矛盾であり，原子炉実験と合わせた結果の最尤値は sin2 θ13 = 2.20 × 10−2 , δCP = 1.90 で CP の最大の破れ (δCP = −π/2) と誤差の範囲で無矛盾である．なお，図 3 では Normal Ordering の結果と Inverted Ordering の結果を統計的に統合してある．

39

δCP

3
T2K Run 1-10 Preliminary
PDG θ13 Constraint

2

T2K only 90%

1

T2K only 68%

図 3：ニュートリノ振動パラメータ sin2 θ13 と
δCP の測定結果．Normal Ordering の結果とInverted Ordering の結果を統計的に統合してある．緑の帯は原子炉ニュートリノ実験の結果．

T2K only Best Fit

0

T2K+Reactor Preliminary 90%−1

T2K+Reactor Preliminary 68%
T2K+Reactor Preliminary Best Fit

−2
−3
10

×10−3
20

30

40

50

60

70

sin2θ13∆χ2

図 4 は δCP に対して得られた ∆χ2 を示している．これを見ると 3σ での信頼区間は Normal
Ordering で [−π, 0.32] ∪ [2.63, π]，Inverted Ordering で [−2.82, −0.14] となっており，CP 位相角の取り得る値の多くの領域が 3σ の信頼水準で排除されたことが分かる．また，90%信
頼区間は Normal Ordering で [−3.00, −0.49]，Inverted Ordering で [−1.79, −1.09] で CP が保存する δCP = 0, π が 90%信頼水準で排除された．

25

Normal ordering
Inverted ordering

20

1σ CL
90% CL
2σ CL

15

3σ CL

図 4：δCP を関数にした ∆χ2 分布．原子炉ニュートリノ実験の結果による制限を加えてある．各
信頼区間が shaded region で示してある．

10
5
0

−3

−2

−1

0

1

2

3

δCP

T2K 実験において，ニュートリノビームはグラファイト標的に 30 GeV の陽子を衝突させて生成した荷電パイ中間子が，ミューニュートリノとミューオンに崩壊することによって生成される．この崩壊は 2 体崩壊であるので，ミューニュートリノとミューオンには強い相関があり，ミューオンを測定することでミューニュートリノの状態を間接的ではあるがリア
ルタイムに知ることができる．それを行っているのがミューオンモニターであり，今後のメインリングのビームの大強度化に伴って検出器を放射線耐性の高いものに交換する必要があ
る．現在その候補とされているものが電子増倍管 (EMT) で，小型の光電子増倍管の光電面にアルミニウムを蒸着したものである．昨年度東北大学電子光理学研究センター (ELPH) において放射線耐性を調べる試験を行ったが，今年度も 10 月に引き続き実験を行った．入射させた電子ビーム強度は 160 nA で，短時間で J-PARC の将来強度の 1000 日分の照射ができるようにした．この放射線耐性試験の結果は 100 日分の照射に対し信号減少が 3%以下で，十分運用に耐えるものであった．また，1000 日分の照射でも 10%の減少で抑えられるという結果も得られた．更なるデータ解析が進行中である．
ニュートリノ−原子核反応における系統誤差を抑制するために，前置検出器ホールに新しいニュートリノ検出器を設置し，水とプラスチック標的のニュートリノ反応断面積比を測定す

40

る WAGASCI 実験を継続した．高エネルギー物理学研究室は WAGASCI 本体と Wall Muon
Range Detector (Wall MRD) を担当している．図 5 に WAGASCI 検出器コンプレックスを示す．データを収集し解析中であるが，それと並行して Cellular Automaton や Minimum
Spanning Tree といった飛跡再構成アルゴリズムの最適化の研究を行った．

図 5：WAGACI 検出器コンプレックス．WAGASCI 検出器本体と，Proton Module，Wall
MRD，NINJA 検出器 (原子核乾板検出器)，
Baby MIND(Muon 検出器) からなる．

3. 荷電レプトンフレーバー非保存過程探索実験（清矢，山本，手島，植松，長谷，金子，田川）
原子核に束縛された負ミューオンが電子に直接的に転換する過程，いわゆるミューオン・電子転換過程を探索する実験 DeeMe の立ち上げを引き続き遂行した．電子を検出する multiwire proportional chamber（MWPC）や信号読み出しエレクトロニクス等の開発は基本的には終了しており，検出器の更なる高精度化を図りながら実験で使用するビームライン（Hライン）の建設を，J-PARC の物質・生命科学実験施設（MLF）において進めている．
本年度の最大の進展は H ラインが 1 月に完成し，ビームラインの運転調整を開始したことである．この運転調整には本研究室の学生も参加し，大きな貢献をした．図 6 は H ラインが完成した際の記念写真である．
我々が開発したビームプロファイルモニター用チェレンコフカウンターのデータ取得系開発も行った．図 7 はビームプロファイルモニターを実験エリアに設置した様子である．モニターは 2 軸ロボットに装着され，コンピュータ制御により自動スキャンを行う．データ取得にはシングルボードコンピュータ（STEM-lab 125-14，図 8）搭載の 14-bit 125 MHz FADCを用いた．図 9 にビームプロファイル測定例を示す．右上に見える信号領域は，チェレンコ
フカウンターの腕の長さが十分ではなく，チェレンコフ光を検出するためにカウンター底部に装着した光電子増倍管にビームが直接当たったために生じたものと考えられる．来年度には，より長いカウンターを新たに製作する予定である．

41

図 6：H ラインが完成し，初めてのビーム運転をした際の記念写真．J-PARC 物質・生命科学実験施設（MLF）の首脳陣と共にビーム運転調整において活躍した本研究室の院生・4 年生が写っている．

図 7：我々が開発したビームプロファイルモ
ニター用チェレンコフカウンターを H ライ
ンの実験エリア H1 のビーム出口付近に設置した様子．

図 8：ビームプロファイル測定に使用したシングルボードコンピュータ（STEM-lab
125-14）．

図 9：ビームプロファイルの測定例．右上の信号領域は，チェレンコフカウンターの腕の長さが十分ではないため，光電子増倍管に直接ビームが当たったことによるもの．

2019 年 3 月に，ミューオン・電子転換過程に対する最大の背景事象である束縛ミューオ
ン軌道上崩壊（decay-in-orbit = DIO）の高統計測定を，MLF にあるミューオンビームラ
イン（D ライン）を用いてカーボン標的に対して行ったが，今年度も，そのデータ解析を継続した．運動量測定のための偏向電磁石の電流設定が異なる場合において，データとシミュ
レーションの整合性に違いがあり（図 10），その原因についてさらに解析を進める必要があることが分かった．

42

図 10：DeeMe スペクトロメータは，偏向電磁石の上流と下流にそれぞれ 2 台ずつ MWPCを配置している．左図上は，偏向電磁石の電流を運動量 45 MeV/c の粒子を測定する設定にした場合に対応しており，横軸は再構成された粒子飛跡の，上流から 3 台目の MWPC における x 座標である．下は 52.5 MeV/c の場合．
どちらも僅かにずれており，その傾向に違いが見えている．

DeeMe 実験では，大量の荷電粒子（バースト）が検出器に到来した後，1 µs 程度の遅延タイミングで飛来する電子を検出する必要がある．光センサー MPPC を読み出しに用いたシンチレーティングファイバー飛跡検出器がそのような測定に適用可能かどうかの検討も行っている．バーストによってシンチレーティングファイバーで生成される光は大量になるが，これまでの研究の結果，大光量に対する MPPC の応答には非常に長時間のテールが存在し，単一遅延荷電粒子の検出が困難であることが分かっている．さらに，バースト到来時
は MPPC をオフの状態にしておき，バースト直後に素早く逆バイアス電圧を印加することによりテールを抑制できるかを調べたが，テールの形状には変化が見られず，その抑制には寄与しないことも判明している．今年度は，0 V 状態から逆バイアスへスイッチするのではなく，電子・ホールペアの除去のために順方向に電圧印加しておき，逆バイアスへスイッチする回路を作成してテストしたが，逆バイアス印加による空乏層生成時間が予想以上に長い可能性があることが分かった．引き続き，テールの生成メカニズムの理解やその抑制方法について検討していく必要がある．

教育・研究業績
学術論文
1. K. Abe, T. Honjo, T. Kobata, T. Okusawa, Y. Seiya, N. Teshima, K. Yamamoto et al.
(The T2K Collaboration) : “ Improved constraints on neutrino mixing from the T2K
experiment with 3.13 × 1021 protons on target ”, Physical Review D 103, 112008 (2021).
2. K. Abe, T. Honjo, T. Kobata, T. Okusawa, Y. Seiya, N. Teshima, K. Yamamoto et al.
(The T2K Collaboration) : “ First T2K measurement of transverse kinematic imbalance inthe muon-neutrino charged-current single-π + production channel containing at least one
proton ”, Physical Review D 103, 112009 (2021).
3. K. Abe, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (The Hyper-Kamiokande Collaboration) : “ Supernova Model Discrimination with Hyper-Kamiokande ”, Astrophysical Journal 916-15,
1–17 (2021).
4. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (The CDF Collaboration) : “ Measurement of the charged asymmetry of electrons from the decays of√
W bosons produced in pp̄ collisions at s = 1.96 TeV”, Physical Review D 104, 092002(2021).

43

国際会議講演等
1. 本條 貴司：”Development of a new detector for the muon monitor at the T2K experiment” (poster), US-Japan Hawaii Symposium of the US-Japan Science and Technology,
2021/4/21–23, online.
2. 手島 菜月：”Status of the DeeMe Experiment to Search for mu-e Conversion at J-PARC
MLF” (招待講演), The 22nd International Workshop on Neutrinos From Accelerators(NuFact2021), 2021/06–11, Cagliari, Italy, or remote (mixed mode), online participation.

学会・研究会講演等
1. 本條 貴司：「T2K-WAGASCI 実験の横方向ミューオン飛跡検出器の位置分解能の評価と次期物理測定に向けた展望」，日本物理学会 2021 年秋季大会，2021 年 9 月 14 日 〜 17 日，
神戸大学（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
2. 高安 咲妃：
「T2K-WAGASCI 実験におけるセルオートマトンを用いた飛跡再構成アルゴリ
ズムの性能評価」，日本物理学会 2021 年秋季大会，2021 年 9 月 14 日 〜 17 日，神戸大学（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
3. 西崎 勁矢：「T2K-WAGASCI 実験における Minimum Spanning Tree を用いた飛跡再構成
アルゴリズムの性能評価」，日本物理学会 2021 年秋季大会，2021 年 9 月 14 日 〜 17 日，
神戸大学（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
4. 植松 泰智：「大強度光に対する MPPC の応答の測定」，日本物理学会 2021 年秋季大会，
2021 年 9 月 14 日 〜 17 日，神戸大学（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
5. 手島 菜月：
「J-PARC MLF D2 エリアにおけるミューオン軌道上崩壊の運動量スペクトルの解析」，日本物理学会 2021 年秋季大会，2021 年 9 月 14 日 〜 17 日，神戸大学（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
6. 清矢 良浩：
「ミュオン電子転換過程探索実験 –DeeMe–：準備状況（16）」，日本物理学会 2021
年秋季大会，2021 年 9 月 20 日 〜 23 日，東京工業大学（新型コロナにより現地開催中止，
オンライン開催）．
7. 本條 貴司：
「J-PARC ニュートリノビーム大強度化に対応するミューオンモニターの開発」，
日本物理学会第 77 回年次大会，2022 年 3 月 15 日 〜 18 日，岡山大学 津島キャンパス，岡山理科大学 岡山キャンパス（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
8. 山本 達也：
「T2K 実験ミューオンモニターに用いる電子増倍管の電子ビーム試験による初期
不安定性及び放射線耐性の評価」，日本物理学会第 77 回年次大会，2022 年 3 月 15 日 〜
18 日，岡山大学 津島キャンパス，岡山理科大学 岡山キャンパス（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
9. 長谷 和哉：
「ビームチューニングのためのビームプロファイルスキャン装置の開発」，日本物理学会第 77 回年次大会，2022 年 3 月 15 日 〜 18 日，岡山大学 津島キャンパス，岡山
理科大学 岡山キャンパス（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．
10. 山本 和弘：「ミュオン電子転換過程探索実験 –DeeMe–：準備状況（17）」，日本物理学会第77 回年次大会，2022 年 3 月 15 日 〜 18 日，岡山大学 津島キャンパス，岡山理科大学 岡
山キャンパス（新型コロナにより現地開催中止，オンライン開催）．

その他
1. 本條 貴司：” T2K report, T2K Run 11, Mar 9- ”, J-PARC PN run meeting, 2021 年 4 月
23 日．

44

2. 本條 貴司：” WAGASCI BabyMIND Run 11 summary ”, T2K bi-weekly meeting, 2021/4/29,
online.
3. 本條 貴司：” T2K 実験ミューオンモニターのための新型検出器・電子増倍管の電子ビームを用いた性能評価”, 東北大学電子光理学研究センター共同利用課題説明，2021 年 8 月 03
日．採択．
4. 高安 咲妃：” Track reconstruction performance check for WAGASCI-BabyMIND ”, T2K
ND280-Japan．
5. 本條 貴司：” New sensor for MUMON ”, T2K bi-weekly meeting, 2021/11/11, online.
6. 長谷 和哉：” Beam Proﬁle Monior ”, The 10th DeeMe Collaboration meeting part 1, 2021
年 11 月 25 日，Tokai village, Ibaraki-ken, Japan.
7. 植松 泰智：” HV-Switching SiPM ”, The 10th DeeMe Collaboration meeting part 1, 2021
年 11 月 25 日，Tokai village, Ibaraki-ken, Japan.
8. 高安 咲妃：” Performance evaluations of reconstructions I ”, T2K Collaboration meeting(WAGASCI pre-meeting), 2021/12/07, online.
9. 西崎 勁矢：” Performance evaluations of reconstructions II ”, T2K Collaboration meeting(WAGASCI pre-meeting), 2021/12/07, online.
10. 長谷 和哉：” Beam Proﬁle Monior ”, The 10th DeeMe Collaboration meeting part 2, 2022
年 1 月 12 日，Tokai village, Ibaraki-ken, Japan.
11. 手島 菜月：” Development of HV switching MWPC ”, The 10th DeeMe Collaboration
meeting part 2, 2022 年 1 月 12 日，online.

学位論文
卒業論文
1. 金子 聡 ：「H line のビーム最適化」
2. 川村 悠馬：
「64 素子 Si フォトダイオードアレイのキャリブレーション」
3. 田川 椋平：
「H-line commissioning」

修士論文
1. 植松 泰智：
「MPPC 読み出しプラスチックシンチレーティングファイバー系の大強度ビームに対する応答の測定」
2. 高安 咲妃：
「T2K-WAGASCI 実験におけるセルオートマトンを用いた飛跡再構成アルゴリ
ズムおよび検出器の性能評価」
3. 西崎 勁矢：「T2K-WAGASCI 実験における Minimum Spanning Tree を用いた飛跡再構成
アルゴリズムのパラメータ調整と性能評価」

研究助成金取得状況
1. 清矢 良浩：新学術領域研究「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」計画研究 A02 「加速器ニュートリノビームで探る素粒子の対称性」（分担），直接経費：250 万円，間接経費：75 万円，次年度への繰越 30 万円．
2. 清矢 良浩：基盤研究（C）「次世代型ミュー粒子・電子転換過程探索実験に向けたファイバー
飛跡検出器の開発」（代表），前年度から：353,664 円．

45

3. 清矢 良浩：基盤研究（C）「物質優勢宇宙の謎の解明に向けたニュートリノ反応断面積の精密測定」（分担），直接経費：20 万円，間接経費：6 万円，次年度への繰越 18.4 万円．
4. 清矢 良浩：2021 年度戦略的研究（STEP-UP 研究費）基盤研究（A）支援「独創的なアイ
デアに基づいたコンパクトな実験で探索するミューオン・電子転換過程」（代表），直接経費：200 万円，間接経費：0 円．
5. 山本 和弘：基盤研究（C)「次世代ニュートリノ実験における大強度ミューオンの測定」（代表），直接経費：120 万円，間接経費：36 万円．

その他
1. 清矢 良浩：日本物理学会素粒子実験領域代表，2021 年 4 月 1 日 〜2022 年 3 月 31 日．
2. 清矢 良浩：日本物理学会代議員，2021 年 3 月 31 日 〜2023 年 3 月 31 日．

46

重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)伊藤 洋介 (准教授)澤田 崇広 (特任講師)
土田 怜 (学振特別研究員 PD)
Darkhan Tuyenbayev (博士研究員)
横田 晴香 (秘書)武田 芽依 (D2)大橋 朋弥 (M2)小林 佑一朗 (M2)藤本 悠也 (M2)森末 希 (M2)

清田 泰成 (M1)福永 勇 (M1)冨田 航汰 (B4)松山 まほろ (B4)
関谷 真由紀 (B4)

研究概要
大型低温レーザー干渉計型重力波望遠鏡 KAGRA
KAGRA は岐阜県神岡鉱山内に建設された基線長 3km のレーザー干渉計型重力波検出器である。2020 年 2 月から2020 年 4 月にかけて観測運転を行い、ドイツの GEO600 干
図 1: KAGRA の様子
渉計と同時観測データの解析なども行われている。また、米国 LIGO および欧州 Virgo との協定に基づき、データ解析の枠組
みや、次の観測 (2022 年 3 月から) へ向けての努力が続けられている。KAGRA 計画は東大宇宙線研究所をホストとした大型共同研究である。本研究室は KAGRA において、データ取得・転送系、
データ解析（重力波イベントの探索、検出器診断）、キャリブレーションなどを担い、計画の中核となる機関として研究活動を行なっている。
2021 年度は、KAGRA のデータ解析を中心に、解析手法の開発や、国際連携した観測体制への貢献などを行った。

重力波観測時代に臨む較正標準化とデータ解析高精度化（神田）
科研費基盤 (S) として推進してきた KAGRA の信号較正とデータ解析についての研究であるが、2021 年度が最終年度であった。重力波観測において不可欠である、時空の歪みを正確に求める較
正についての研究を推進した。日本の KAGRA 実験においてレーザー光の輻射圧を用いた鏡の変移を励起する「フォトンキャリブレーター」を構築した。較正用レーザー強度を米国 LIGO と協力して相対較正を達成した。また較正ハードウエアの不定性を 1〜2%程度まで抑えた。
較正したデータの国際共同観測網での共有は、重力波マルチメッセンジャー観測に観測が資するためにどうしても必要なものである。本研究では、この低遅延データ共有に接続し、KAGRA のデータを連続的に送信するとともに、LIGO, Virgo の低遅延データを受け取るシステムを構築した。LIGO
については 7 秒程度、最も遅延の大きい Virgo で
15 秒程度、KAGRA については 3.5 秒の遅延である。本研究で構築した大阪市立大学の計算機クラスターにも実装して常時稼働させ、国際重力波観
図 2: KAGRAと国際観測網のデータ共有概略図
国際重力波観測網への接続
測網の低遅延・リアルタイムでのデータ利用が可能になった。
KAGRA主データサーバー

カリフォルニア工科大
LIGO,Virgoの較正重力波波形データ h(t)コンパクト連星解析@東大宇宙線研

LIGO,Virgo 低遅延データ

KAGRA 低遅延データ@東大宇宙線研@東大宇宙線研
共有メモリ

低遅延のデータ転送
1sec 毎較正パイプライン@トンネル坑内

KAGRAの較正重力波波形データ h(t)47

高遅延のデータ転送

1sec frames

遅延時間 [s]バースト解析KAGRA主データサーバ

本研究の計算クラスタ@大阪市立大ファイル保管コンパクト連星解析4096sec毎

@東大本郷

本研究

観測デ

重力波検出器における独立成分解析 (伊藤)東京大学ビッグバン宇宙国際研究センターの粂潤哉、横山順一、森崎宗一郎氏らと、独立成分
解析 (Independent Component Analysis: ICA) を iKAGRA データに適用して連続波探索におけるその有用性示す研究をおこなっている。また２０２０年度は LIGO Virgo KAGRA の第４次観測（O4）に向けて ICA を含むデータ解析および数値相対論のシミュレーションに占有的に使うための合計 5376 コアを有する大規模計算機クラスタの仕様を決定し、２１年３月に東京大学ビッグバン宇宙国際研究センターに設置した。

重力波信号の再構成と較正（澤田）レーザー干渉計型重力波検出器は、重力波による空間歪みの変動をレーザー光により精密測定する装置である。重力波による空間歪みは干渉計を構成する２本の「腕」の長さをそれぞれ変化させるが、干渉計を構成する「鏡」には電磁アクチュエーターが取り付けてあり、鏡の位置がずれた
時に正しい位置（動作点）に戻す力を加えるようフィードバック制御を行う。鏡が動作点からどれだけ動いたかというエラー信号、及びアクチュエーターへのフィードバック信号を用いて、検出器
応答特性を考慮して時系列重力波信号 h(t) を再構成する。この h(t) 再構成処理をデータ取得から数秒程度で行う「低遅延パイプライン」、及びより高度な較正を行う「オフライン・パイプライン」
をそれぞれ作成し、2020 年 4 月に実施された KAGRA と独国 GEO600 との同時観測 “O3GK” にて運用した。得られた h(t) 信号は日本及び世界各地の大学・研究所等へとデータ転送され、重力波のデータ解析に用いられた。

短時間ラプラス変換を用いた重力波データ解析（土田）一般相対性理論によると、連星合体などを経て形成されるブラックホールにおいては、時空の摂動によって準固有振動と呼ばれる特有の運動が生じる。ブラックホールの準固有振動から放出される重力波波形は減衰正弦波となるが、その振動数と減衰定数の値は、ラプラス変換によって複素平面上の特異点として抽出される。しかし、データ解析によって特異点を抽出するためには「数値的な」ラプラス変換の実行が必要であり、解析的な計算とは異なる困難が生じる。
とくに、収束領域外において値が急激に増加することは不可避であり、それにより特異点の位置がぼやけるという問
題点があった。この問題点をうまく処理する方法について考察し、ラプラス変換に適した規格化を適用するなど、解析手法の改良を行った。この改良の結果として、特異点をより鮮明に抽出することが可能となった（図 3）。また、データを短時間に区切ってラプラス変換を実行することにより、信号の時間発展を詳細に追跡できるように工夫を施し、さ図 3: 離散的な短時間ラプラス変換を
らには雑音が存在する場合の考察も行った。
これらにより得られた結果について、学会にて報告した。 用いた準固有振動解析の実行例（土田、現在、これまでの成果をまとめた論文を準備中である。
2022）。

48

Hilbert Huang 変換を用いた重力波データ解析（武田）重力崩壊型超新星爆発とは、恒星が最期に重力崩壊によって起こす爆発現象のことである。爆発メカニズムはスーパーコンピュータを用いた多次元数値シミュレーションによって研究されている。図 4 の上の図はシミュレーション [T.
Kuroda et al. (2016)] 由来の重力波である。図 4 の下の図は Hilbet-Huang 変換 (HHT) [N.E. Huang et al. (1998)] を用いて計算した時間-周波数図である。HHT とは時間-周波数解析手法の一種であり、周波数帯域によらず高い時間-周
波数分解能をもつ。それにより、図 4 の通り、重力崩壊型超新星爆発由来の重力波の高周波数成分と低周波数成分を同じ分解能で得ることができた。この低周波数成分は、定在降着衝撃波不安定性（standing-accretion-shock-instability:
SASI）という爆発前に星内部で発生する流体力学不安定性
図 4: HHT による時間-周波数図の一種が起因するものと示唆されている。SASI の発生は爆
上：重力崩壊型超新星爆発のシミュレーション
発を手助けする可能性があり、観測が期待されている。この図と SASI 由来の重力波の周波数変動について調べた結果 由来の重力波。下：上の図の重力波を Hilbertをまとめた論文が、学術雑誌に掲載された。[業績・論文 [8]] Huang 変換して得た時間-周波数図。

ARMA モデルを利用した重力波検出器のノイズ除去（藤本）autoregressive model(AR モデル)、moving average model(MA モデル) を組み合わせた ARMA
モデルという時系列解析手法を用いてデータ解析を行った。この手法は、観測データ全体に対してこれらのモデルを用いてノイズを推定・除去するものである。今回は実際の重力波観測データに対し、ARMA モデルを用い、モデルの次元とパラメーターについて検討した。さらに実際の観測データにおいてノイズを推定して除去し、具体的な効果や有効的なノイズについて調べた。その結果、典型的には線スペクトルノイズが連星合体由来の重力波が通る 30〜200Hz に存在する場
合、ARMA モデルによるノイズ除去により信号雑音比が最大で 10% ほど改善された。

機械学習を用いた重力波観測信号モニターの開発（大橋）
重力波の低遅延データとガンマ線バーストの観測時刻情報を利用して、リアルタイムでガンマ線バースト周辺時刻の解析を行い、重力波が到来しているかを判定する画像認識システムの構築をおこなった。GCN(Gamma-ray coordinates network) より取得した検出時刻周辺の重力波観測信号データから時間―周波数領域のスペクトログラムを生成し、機械学習を用いた画像認識を用いて重力波の有無を判定した。LIGO の第三期観測の実データに連星ブラックホール合体波形を埋め込んで学習データに用い、ネットワークの畳み込み層の数と、最適化に用いる Adam の学習率の調整を行った。その結果連星ブラックホール合体に対して 99 ％を超える正答率を得た。また、連星中性子星合体波形に対する性能評価も行った。

独立成分分析の KAGRA 観測データへの適用（小林）独立成分分析 (ICA) を KAGRA 観測データと音響雑音に対して適用し、その性能の評価を試みた。まず初めに O3GK 中に音響雑音を測定したデータを用い、KAGRA の干渉計への混入を表す伝達関数を ICA を用いて推定した。その結果、340Hz 付近の周波数帯で伝達関数が大きく、干渉計の状態の経時変化によって伝達関数も特有の振る舞いを示すことを明らかにした。さらに ICAを適用して雑音を低減し、重力波信号を検出する場合の信号対雑音比の適用前後での変化を比較した。KAGRA は O3GK 中では重力波の信号を観測することはできなかったが、シミュレーショ

49

ンによる重力波波形を実際の O3GK データに対して注入試験を行うことで評価を行った。その結果 ICA を行うことで信号対雑音比が向上する傾向にあることを確認した。

重力波望遠鏡 KAGRA の主干渉計雑音のガウス性・安定性評価（森末）KAGRA の較正済み主干渉信号を対象に、ガウス性や安定性を評価した。評価には 71Hz、340Hz、482Hz、950Hz を使用し、定常性の確認には中央値の変動の確認や Augmented Dicky-Fuller 検定を用いた。また、ガウス性の評価には尖度や歪度の統計量に合わせて Kolmogorov-Smirnov 検定を用いた。その結果、雑音の変動のタイムスケールは 2400 秒程度で、変動率は 71Hz で-10%から10%程度、340Hz で-5%から 5%程度、482Hz で-2%から 2%程度、950Hz でも-2%から 2%程度変動していることが分かった。ガウス性については、Kolmogorov-Smirnov 検定より、71Hz 以外は5%の有意水準でガウス性が良いという結果が得られ、尖度歪度は過渡的な雑音の影響によってガ
ウス分布の場合とズレが生じていた。

KAGRA データサーバーにおけるデータの変遷の確認（清田）KAGRA には様々なデータを取得し保守するメインサーバーが存在し、毎日合計でおよそ 1TBのバルクデータと呼ばれるデータを自動的に取得する。今後のサーバー運用の指標を与えるため、それらの膨大なデータのログチェックや 1 データごとの変遷を確認する研究に取り組んだ。具体
的には取得当初から現在まで 100000 秒ごとに 1 ファイルのチャンネル数とサイズを取得するプログラムを作成し、図として出力することでデータの変遷を可視化した。また 1 日ごとに取得するデータにエラーがないかというログチェックも行った。その結果取得開始以降のデータに関して可視化を行うことで 1 ファイルのサイズやチャンネル数が徐々に増えてきていることが確認できた。バルクデータ取得当初からサイズは 50MB から 400MB にまで上がっており、特にチャンネ
ル数に関しては現在 100000 チャンネルを超えていることが分かった。

ヒルベルト変換によるブラックホール準固有振動の解析（福永）
ヒルベルト変換を用いてブラックホール準固有振動から、ブラックホールの質量とスピン及び、
ブラックホール連星合体の合体時刻の推定を行った。ブラックホール準固有振動とは、ブラックホール時空に摂動を与えた時に起きる時空の減衰振動のことである。この現象はブラックホールが形成されるような高密度天体の連星合体でブラックホールが形成された時に観測される。しかし、連星がどの時間から１つのブラックホールとなっているのかを重力波信号から推定することは、困難である。そこで、ヒルベルト変換を用いて、重力波信号の瞬時振幅と瞬時周波数を推定することで、減衰振動が始まるすなわち連星が合体した時刻の推定を行うことができる。また、準固有振動の周波数と減衰定数はブラックホールの質量とスピンで決まるとされているので、ヒルベルト変換を用いることでブラックホールのスピンと質量も推定することができる。

機械学習を用いた重力波探索（冨田）
重力波はその小ささのために信号がノイズに埋もれてしまい、検出が困難である。そこで、検出器で得られたデータを解析する手法の一つとして機械学習の有用性の研究を行なった。ブラックホール連星合体における重力波信号のシミュレーションを用いてスペクトログラムを作成した。
それを畳み込みニューラルネットワークを使用した機械学習モデルに学習させ、重力波信号の有無の判定を行なった。学習データの数を増やしたり、学習回数を変えたりすることによりモデルの学習状態を確認し、過学習や未学習に陥っていないことを確認した。最終的には、重力波信号有無の判定において 99.9 ％以上の精度を達成することができた。

50

機械学習による潮汐変形率の推定 (松山)GW170817 のような中性子星連星合体は重力波源の１つとしてあげられる。その中性子星は内部構造が未だ解明されておらず，多くの状態方程式で記述される。そのため，現在は中性子星の様々なパラメータを観測から得ることで，内部構造を表す状態方程式を１つに絞るという逆算的な方法をとっている。潮汐変形率とはそういった中性子星のパラメータの１つであり，中性子星を含んだ連星で見られる現象のため，連星合体の重力波形にもその効果が現れていると考えられる。しかし，非常に微小な差であり，肉眼で見分けることは困難を極める。そのため，潮汐変形率が重力波形にもたらす効果を機械学習を用いて推定するという研究を行った。

教育・研究業績
学術論文
1. R. Abbott et al. (The LIGO Scientiﬁc Collaboration, the Virgo Collaboration, and the
KAGRA Collaboration), “Search for intermediate-mass black hole binaries in the thirdobserving run of Advanced LIGO and Advanced Virgo”, Astron. Astrophys 659, A84(2022), https://doi.org/10.1051/0004-6361/202141452
2. R. Abbott et al. (LIGO Scientiﬁc Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration),“Search for continuous gravitational waves from 20 accreting millisecond x-ray pulsars in
O3 LIGO data”, Phys. Rev. D 105, 022002 – Published 19 January 2022,
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.022002
3. R. Abbott et al. (The LIGO Scientiﬁc Collaboration, the Virgo Collaboration, and the
KAGRA Collaboration), “Constraints on dark photon dark matter using data from LIGO’s
and Virgo’s third observing run”,
Phys. Rev. D 105, 063030, (2022), https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.063030
4. R. Abbott et al. (The LIGO Scientiﬁc Collaboration, the Virgo Collaboration, andthe KAGRA Collaboration), “All-sky search for short gravitational-wave bursts in thethird Advanced LIGO and Advanced Virgo run”, Phys. Rev. D 104, 12200, (2021),
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.122004
5. R. Abbott et al. (The LIGO Scientiﬁc Collaboration, the Virgo Collaboration, and the
KAGRA Collaboration), “Constraints from LIGO O3 Data on Gravitational-wave Emission Due to R-modes in the Glitching Pulsar PSR J0537-6910”, ApJ 922 71 , (2021),
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac0d52
6. R. Abbott et al. (The LIGO Scientiﬁc Collaboration, the Virgo Collaboration, and the
KAGRA Collaboration), “Searches for Continuous Gravitational Waves from Young Supernova Remnants in the Early Third Observing Run of Advanced LIGO and Virgo”, ApJ
921 80, (2021), https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac17ea
7. R. Abbott et al. (The LIGO Scientiﬁc Collaboration, the Virgo Collaboration, and the
KAGRA Collaboration), “All-sky search for long-duration gravitational-wave bursts inthe third Advanced LIGO and Advanced Virgo run”, Phys. Rev. D 104, 102001, (2021),
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.102001
8. M. Takeda, Y. Hiranuma, N. Kanda, K. Kotake, T. Kuroda, R. Negishi, K. Oohara, K.
Sakai, Y. Sakai, T. Sawada, H. Takahashi, S. Tsuchida, Y. Watanabe, and T. Yokozawa,“Application of the Hilbert-Huang transform for analyzing standing-accretion-shock-instability
induced gravitational waves in a core-collapse supernova”, Phys. Rev. D 104, 084063,
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.084063

51

9. KAGRA and VIRGO and LIGO Scientiﬁc Collaborations, R. Abbott et al. (Jul 1, 2021),“All-sky search for continuous gravitational waves from isolated neutron stars in the earlyO3 LIGO data”, Published in: Phys.Rev.D 104 (2021) 8, 082004,
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.082004
10. LIGO Scientiﬁc and KAGRA and VIRGO Collaborations, R. Abbott et al. (Jun 29,2021), “Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star-Black Hole Coalescences”, Published in: Astrophys.J.Lett. 915 (2021) 1, L5, https://doi.org/10.3847/20418213/ac082e
11. KAGRA Collaboration, T. Akutsu(Natl. Astron. Observ. of Japan) et al. (Apr 19,2021), “Radiative Cooling of the Thermally Isolated System in KAGRA Gravitational
Wave Telescope”, Published in: J.Phys.Conf.Ser. 1857 (2021) 1, 012002, Contribution to:10th ACASC / 2nd Asian-ICMC / CSSJ Joint Conference, https://doi.org/10.1088/17426596/1857/1/012002
12. Makoto Arimoto(Charles U. and Kanazawa U.), Hideki Asada(Hirosaki U.), Michael L.
Cherry(Louisiana State U.), Michiko S. Fujii(Tokyo U.), Yasushi Fukazawa(Hiroshima U.)
et al. (Apr 6, 2021), “Gravitational Wave Physics and Astronomy in the nascent era”,
Prog. Theor. Exp. Phys. 2021, 0000 (83 pages) , https://doi.org/10.1093/ptep/ptab042

学会・研究会講演
1. 土田怜, 神田展行, 伊藤洋介, 澤田崇広, KAGRA Collaboration、「短時間ラプラス変換を用いた重力波信号のパラメータ抽出」, 日本物理学会第 77 回年次大会, 2022 年 3 月
2. 神田展行 (大阪市立大学 理学研究科 / 南部陽一郎物理学研究所) KAGRA コラボレーショ
ン, 「重力波の初観測から現状」(招待講演)、2021 年度電子光理学研究拠点共同利用成果報
告会 ELPH symposium 2022, 2022 年 3 月
3. 神田展行, KAGRA collaboration, 「重力波観測と KAGRA の今後」（招待講演）, 第 12 回
光赤外線天文学大学間連携ワークショップ, 2022 年 11 月
4. 神田展行 (大阪市立大学), KAGRA コラボレーション, KAGRA 実験による重力波観測が拓
くマルチメッセンジャー天文学」（シンポジウム講演）, 日本物理学会第 76 回年次大会, 2021
年9月
5. 酒井一樹, 神田展行, 大原謙一, 土田怜, 小根澤瞭太, on behalf of the KAGRA Collaboration,「国際観測ネットワーク参加に向けた KAGRA データ転送・保管システムの運用状況」, 日
本物理学会第 76 回年次大会, 2021 年 9 月
6. 小根澤瞭太, Patrick J Brockill, 神田展行, 大原謙一, 土田怜, 酒井一樹, on behalf of the
KAGRA Collaboration, 「Apache Kafka による国際重力波観測ネットワークにおける低遅延データ共有システムの構築」, 日本物理学会第 76 回年次大会, 2021 年 9 月
7. 土田怜, 神田展行, 伊藤洋介, 澤田崇広, KAGRA Collaboration, 「短時間ラプラス変換を用いた重力波波形の解析と信号探索」, 日本物理学会第 76 回年次大会, 2021 年 9 月
8. 森末希, KAGRA collaboration, 「KAGRA O3GK の較正データの安定性・ガウス性評価」、
日本物理学会第 76 回年次大会, 2021 年 9 月
9. 伊藤洋介 “Eﬀorts on search for gravitational waves from neutron stars”（招待講演）、第４回中性子星の観測と理論: 研究活性化ワークショップ、2021 年 8 月 10-12 日、オンライン(https://indico2.riken.jp/event/3725/overview)
10. 伊藤洋介 on behalf of the KAGRA Collaboration 「大型低温重力波望遠鏡 KAGRA の現状」、日本天文学会 2022 年春季年会 3/2-5 、 オンライン
11. 伊藤洋介「PTEP 重力波特集 KAGRA AND BEYOND: GRAVITATIONAL WAVE PHYSICSAND ASTRONOMY PART I/II 」 PTEP Friendship Meeting 2021/9/14.

52

学位論文
1. 大橋 朋弥 : 機械学習を用いた重力波観測信号モニターの開発(Development of a gravitational wave signal monitor using machine learning)
2. 小林 佑一朗 : 独立成分分析の KAGRA 観測データへの適用(Application of Independent Component Analysis to the KAGRA observation data)
3. 藤本 悠也 : ARMA モデルを利用した重力波検出器のノイズ除去(Noise reduction of gravitational wave detectors using the ARMA model)
4. 森末 希 : 重力波望遠鏡 KAGRA の主干渉計雑音のガウス性・安定性評価(Evaluation of Gaussianity and Stability of the Main Interferometer Noise of the Gravitational Wave Telescope KAGRA)

卒業研究
1. 冨田航汰・松山まほろ : 機械学習を用いた重力波イベントのパラメータ推定
2. 関谷真由紀 : マイケルソン干渉計の感度較正と雑音の研究

研究助成金取得状況
1. 科学研究費助成事業 基盤研究 (S)「重力波観測時代に臨む較正標準化とデータ解析高精度化」（代表：神田展行、2017-2021 年度）
2. 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「重力波物理学・天文学：創世記」
計画研究 B01「中性子星を含む連星，パルサー，マグネターからの重力波による宇宙物理学の研究」（代表：田越秀行（東大宇宙線研）、分担：伊藤洋介ほか、2017-2021 年度）
3. 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「重力波物理学・天文学：創世記」
計画研究 C01「重力波天文学で解き明かす超新星爆発の物理」（代表：固武 慶（福岡大理）、
分担：神田展行ほか、2017-2021 年度）
4. 科学研究費助成事業 基盤研究 (S)「重力波宇宙物理学の包括的研究」（代表：横山順一（東大理）、分担：伊藤洋介ほか、2020-2024 年度）
5. 科学研究費助成事業「重力波データ抽出方法の開発：新たな解析手法および分散型コンピュー
ティングの導入」（代表：真貝 寿明（大阪工業大学情報科学部）、分担：伊藤洋介ほか、2019-2023
年度）
6. 令和３（2021）年度学術研究動向調査等に関する委託研究（研究担当者：神田展行）
7. 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究 「KAGRA データ転送・保管系の構築 (7)」
（代表：神田展行、2021 年度）
8. 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究 「KAGRA データを低遅延国際重力波探索網へ組み込
むための共同研究推進」（代表：澤田崇広、2021 年度）

その他
1. 神田展行：日本学術振興会システム研究センター 数物系科学主任研究員, 2021 年度
2. 神田展行：宇宙線研究者会議 (COSMIC RAY RESEARCHERS CONGRESS) 運営委員,
2021/4/1-2022/3/30
3. 伊藤洋介：Progress of Theoretical and Experimental Physics 企画編集委員（2019 より継続）
4. 伊藤洋介：The 30th workshop on General Relativity and Gravitation in Japan, Scientiﬁc
Organizing Committee (2021)

53

5. 第 14 回「 宇宙（天文）を学べる大学 合同進学説明会」,2022/6/12, 大阪市立科学館ほかと主催。 幹事、運営、ポスター発表（神田、伊藤）
6. 大阪市立高校研究室訪問, 2021/11/19（伊藤）7. 伊藤洋介：「宇宙を聴く新しい観測手法：重力波天文学のはじまり」ミュージアム連続講座
2021「天文と歴史」2022.3.13(日)、大阪市立難波市民学習センター

54宇宙・素粒子実験物理学研究室
中野英一 教授
岩崎昌子 准教授

加藤睦代 (M1)
楠本泰徳 (M1)

久野彰浩 (M2)
柿花愛恵 (M2)井上拓海 (B4)江川芳文 (B4)
度会 龍 (B4)

研究概要
1. Belle II 国際共同実験.(中野，岩崎，久野，柿花，加藤，楠本)
高エネルギー加速器研究機構(KEK)の SuperKEKB 加速器を用いた Belle II 国際共同 実験を行なっている. Belle II 実験は，SuperKEKB 加速器を用いて電子・陽電子対消滅 反応によって大量に生成される B 中間子対の崩壊過程から，CP 対称性の破れの検証や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である. 大阪市立大学の研究グル ープはBelle II 測定器の中央飛跡検出器 (CDC) を担当しており，CDC に関わるソフトウェアの開発を行っている．
2019 年度末 3 月から phase 3 と呼ばれる，崩壊点検出器を組み込んだ本格的な電子・陽電子衝突実験を開始した.今年度，論文を公表した．
2. KEK B ファクトリー加速器による素粒子実験 (Belle 実験).(中野，岩崎)
高エネルギー加速器研究機構の KEKB 加速器を用いた Belle 国際共同実験を行なっている. 大阪市立大学の研究グループは Belle 測定器の最も外側に位置する KL 中間子/μ 粒
子検出器 (KLM) の読み出しおよび μ 粒子同定を担当している.Belle 実験は，KEKB 加速器を用いて電子・陽電子対消滅反応によって大量に生成される B 中間子対の崩壊過程から，CP 対称性の破れの検証や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である.また，チャームクォーク対生成事象や，τ レプトン対生成事象，高統計のデータを利用して共鳴状態の探索を行なっている.また，QCD の研究も行っている．

3. 機械学習の適応研究（岩崎，久野，加藤，井上，度会）
原子核・素粒子実験では大量のデータを取り扱うが，この大量データを，より効率的に，学術的結果へ導くためには，情報分野における最先端機械学習技術の適応が有効だと考えられる．原子核・素粒子実験分野研究者，原子核理論研究者，情報科学研究者による深層学習
研究グループを組織し（代表，岩崎），大阪大学 RCNP 研究プロジェクト，および大阪大学
IDS 学際プロジェクトとして研究を進めている．このプロジェクトにおいて，大阪市大は，以下の研究を進めている．


KEK Linac加速器運転調整（岩崎，久野）KEK 加速器と共同で，機械学習を導入した KEK Linac 加速器雲梯調整手法の開発を進めている．強化学習を加速器調整に適用させるための基礎的な研究として，１．直近データを使用した機械学習により，入射効率が予測可能であることを示し，２．学習データの統計が予測精度に直接影響

55

することを示した．また，強化学習の pre-training に必須となる，加速器シミュレータの開発として，敵対生成ネットワーク Generative Adversarial Networks, GAN）を用いた手法を考案した．O(1000)パラ
メータの加速器データを再現させるためには，モード崩壊の問題を解決することが必要であることを示した．結果を国内学会・研究会，国際学会で発表した．


スパースサンプリングを用いたデータ削減の基礎研究（岩崎，加藤）高エネルギー実験で生成される大量データについて，データの本質的な情報を保ちつつデータサイズ削減を行うため，機械学習を用いたスパースサンプリングによるデータ削減の研究を行った．
MNIST データサンプルを用いた次元削減の基礎研究を行った後に，ＩＬＣ SiD 測定器の電磁カロリ
メータ(ECAL)のエネルギー較正タスクにおいて，ランダムデータ削減を行い，評価結果を研究会・学会で発表した．


ＭＮＩＳＴデータを用いた機械学習の基礎研究（岩崎，井上，度会）
MNIST データサンプルを用いて，深層学習を用いた画像識別，および，と敵対生成ネットワークの基礎研究を行った．結果を卒業論文にまとめた．
4. マイクロパターン・ガスディテクター (MPGD) の研究開発.(中野)
薄型で 2 次元読み出しを行なえるガス検出器の 1 つであるガス電子増倍器 (GEM) の他分野への応用をはかる目的で，高エネルギー加速器研究機構，杏林大学，近畿大学との共同研究を行ないつつ，東京都産業技術センターの職員との技術交流を行っている．この技術交流
では，GEM からの信号読み出しを考慮した読み出しエレクトロニクスの制御プログラム，データ収集用プログラムを供与した．
5. ガスを用いた荷電粒子検出器の基礎研究(中野，柿花，楠本，江川)

CDC 読み出し回路に用いる ASIC の開発(中野，柿花，楠本)
Belle II 測定器の CDC の読み出し電子回路には発熱の問題や放射線による損傷のため，将来的には置き換えが計画されており，それにむけた ASIC の開発を進めている.現状のCDC 読み出し回路には ASD にカスタム ASIC と市販品の FADC を用いているが，消費電力低減を目的として ASD と FADC を共に搭載した ASIC の開発を進めており，その試作品での性能評価を行ない，修士論文にまとめた.


電子のドリフト速度に関する基礎研究(中野，江川)

ガスを用いた荷電粒子検出器の代表的なものとしてドリフトチェンバーが挙げられる．ドリフトチェンバーは電子のドリフト速度が電場に大きくは依存しない性質を利用するが，典型的なドリフトチェンバーガスの P-10 ガスでは低電場でドリフト速度が電場に大きく依存すると言われている．宇宙線の飛跡を再構成し，ドリフト距離とドリフト時間の関係からドリフト速度を求め，電場への依存性を研究し卒業論文にまとめた．

56

教育・研究業績
学術論文
1. Test of Lepton-Flavor Universality in B → K*ℓ+ ℓ- Decays at Belle, Belle
Collaboration • A. Abdesselam (Tabuk, Coll. Technol.) et al. Published in:Phys.Rev.Lett. 126 (2021) 16, 161801
2. Test of lepton flavor universality and search for lepton flavor violation in B
→ Kℓℓ decays, BELLE Collaboration • S. Choudhury (Indian Inst. Tech.,
Hyderabad) et al., Published in: JHEP 03 (2021), 105
3. Measurement of the branching fraction of the decay B+ →π+π-ℓ+νℓ in fullyreconstructed events at Belle, Belle Collaboration • C. Beleño (Gottingen U.,
II. Phys. Inst.) et al., Published in: Phys.Rev.D 103 (2021) 11, 112001
4. Evidence for X(3872) → J/ψ π+π- Produced in Single-Tag Two-Photon
Interactions, Belle Collaboration • Y. Teramoto (Osaka City U.) et al.,Published in: Phys.Rev.Lett. 126 (2021) 12, 122001
5. First determination of the spin and parity of the charmed-strange baryon
Ξc(2970)+, Belle Collaboration • T.J. Moon (Seoul Natl. U.) et al., Publishedin: Phys.Rev.D 103 (2021) 11, L111101
6. Measurement of branching fractions of Λc+ → ηΛπ+, η Σ0 π+, Λ(1670)
π+, and η Σ(1385)+, Belle Collaboration • J.Y. Lee (Seoul Natl. U.) et al.,Published in: Phys.Rev.D 103 (2021) 5, 052005
7. Measurement of time-dependent CP violation parameters in B0 → K0SK0SK0S decays
at Belle, Belle Collaboration • K.H. Kang (Kyungpook Natl. U.) et al.,Published in: Phys.Rev.D 103 (2021) 3, 032003
8. Search for the dark photon in B0 → A‘ A‘, A‘ → e+ e-, μ+ μ-, and π+ πdecays at Belle, Belle Collaboration • S.-H. Park et al., Published in: JHEP 04(2021), 191
9. Measurement of the resonant and nonresonant branching ratios in Ξc0 → Ξ0 K+
K-, Belle Collaboration • J.T. McNeil (Florida U.) et al., Published in:Phys.Rev.D 103 (2021) 11, 112002
10. Measurement of branching fraction and search for CP violation in B → φ φ K,
Belle Collaboration • S. Mohanty (Tata Inst. and Utkal U.) et al., Publishedin: Phys.Rev.D 103 (2021) 5, 052013
11. Development of a vertex finding algorithm using Recurrent Neural Network,
Kiichi Goto (Kyushu U.), Taikan Suehara (Kyushu U. and Kyushu U., Fukuoka(main)), Tamaki Yoshioka (Kyushu U. and Kyushu U., Fukuoka (main)), Masakazu
Kurata (Tokyo U.), Hajime Nagahara (Osaka U. (main)) et al., Published in:
Nucl.Instrum.Meth.A 1047 (2023), 167836
12. Measurements of Partial Branching Fractions of Inclusive B → Xu ℓ+ νℓ Decays
with Hadronic Tagging, Belle Collaboration • L. Cao (Bonn U., HISKP) et al.,Published in: Phys.Rev.D 104 (2021) 1, 012008
13. Search for Bs0 → η‘ Xssbar at Belle Using a Semi-Inclusive Method, Belle
Collaboration • S. Dubey (Hawaii U.) et al., Published in: Phys.Rev.D 104(2021) 1, 012007
14. Measurements of the branching fractions of Λc+ → p η and Λc+ → p π0
decays at Belle, Belle Collaboration • S.X. Li (Fudan U.) et al., Published in:Phys.Rev.D 103 (2021) 7, 072004

57

15. Measurements of the branching fractions of the semileptonic decays Ξc0 → Ξ-ℓ+ νℓ and the asymmetry parameter of Ξc0 → Ξ- π+, Belle Collaboration •Y.B. Li (Fudan U.) et al., Published in: Phys.Rev.Lett. 127 (2021) 12, 121803
16. Measurement of branching fractions and CP asymmetries for Ds+ → K+ (η, π0)
and Ds+ → π+ (η, π0) decays at Belle, Belle Collaboration • Y. Guan
(Cincinnati U.) et al., Published in: Phys.Rev.D 103 (2021), 112005
17. Search for lepton-flavor-violating tau-lepton decays to ℓγ at Belle, Belle
Collaboration • A. Abdesselam (Tabuk, Coll. Technol.) et al., Published in:
JHEP 10 (2021), 19
18. Measurement of the energy dependence of the e+e－ → BBbar , BBbar* and B*
Bbar* exclusive cross sections, Belle Collaboration • R. Mizuk (Lebedev Inst.
and Higher Sch. of Economics, Moscow) et al., Published in: JHEP 06 (2021), 137
19. Measurements of branching fractions and asymmetry parameters of Ξ0c →ΛKbar*0, Ξ0c → Σ0Kbar*0, and Ξ0c → Σ+K*- decays at Belle, Belle
Collaboration • S. Jia (Fudan U.) et al., Published in: JHEP 06 (2021), 160
20. Search for B+→K+νν¯ Decays Using an Inclusive Tagging Method at Belle II,
Belle-II Collaboration • F. Abudinén (INFN, Trieste) et al., Published in:Phys.Rev.Lett. 127 (2021) 18, 181802
21. Measurement of the branching fractions of the B+→ηℓ+νℓ and B+→η′ℓ+νℓdecays with signal-side only reconstruction in the full q2 range, Belle
Collaboration • U. Gebauer (Gottingen U., II. Phys. Inst.) et al., Publishedin: Phys.Rev.D 106 (2022) 3, 032013
22. Study of γγ→γψ(2S) at Belle, Belle Collaboration • X.L. Wang (Fudan U.) etal., Published in: Phys.Rev.D 105 (2022) 11, 112011
23. Evidence for the decay ωc0 → π+ω(2012)- → π+ (KbarΞ)-, Belle
Collaboration • Y. Li (Fudan U.) et al., Published in: Phys.Rev.D 104 (2021) 5,052005
24. Measurement of branching fractions and search for CP violation in D0 →π+πη, D0 → K+K-η, and D0 →φη at Belle, Belle Collaboration • L.K. Li(Cincinnati U.) et al., Published in: JHEP 09 (2021), 075
25. Search for the ηc2(1D) in e+e- →γηc2(1D) at √s near 10.6 GeV at Belle,
Belle Collaboration • S. Jia (Fudan U.) et al., Published in: Phys.Rev.D 104(2021), 012012
26. Search for the Decay Bs0 → η’ η, Belle Collaboration • N.K. Nisar(Brookhaven Natl. Lab.) et al., Published in: Phys.Rev.D 104 (2021) 3, L031101
27. Measurement of Br (Bs → DsX) with Bs semileptonic tagging, Belle Collaboration• B. Wang (Munich, Max Planck Inst. and Cincinnati U.) et al., Published in:Phys.Rev.D 105 (2022) 1, 012004
28. Measurement of the masses and widths of the Σc(2455)+ and Σc(2520)+ baryons,Belle Collaboration • J. Yelton (Florida U.) et al., Published in: Phys.Rev.D
104 (2021) 5, 052003
29. Measurement of Differential Branching Fractions of Inclusive B → Xu ℓ+ νℓDecays, Belle Collaboration • L. Cao (Bonn U., HISKP and DESY) et al.,Published in: Phys.Rev.Lett. 127 (2021) 26, 261801
30. Precise measurement of the D0 and D+ lifetimes at Belle II, Belle-II
Collaboration • F. Abudinén (INFN, Trieste) et al., Published in:Phys.Rev.Lett. 127 (2021) 21, 211801
31. Study of e+e- → Υ(1S,2S)η and e+e- → Υ(1S)η‘ at √s=10.866 GeV with the
Belle detector, Belle Collaboration • E. Kovalenko (Novosibirsk, IYF and58

Novosibirsk State U. and Lomonosov Moscow State U.) et al., Published in:Phys.Rev.D 104 (2021) 11, 112006
32. Measurement of the branching fraction of Λc+ → p ω decay at Belle, Belle
Collaboration • S.X. Li (Fudan U.) et al., Published in: Phys.Rev.D 104 (2021)
7, 072008
33. An improved search for the electric dipole moment of the τ lepton, Belle
Collaboration • K. Inami (Nagoya U.) et al., Published in: JHEP 04 (2022), 110
34. Search for B0 → τ± l∓ (l=e,μ) with a hadronic tagging method at Belle,
Belle Collaboration • H. Atmacan (Cincinnati U.) et al., Published in:Phys.Rev.D 104 (2021) 9, L091105
35. Measurements of q2 Moments of Inclusive B → Xc ℓ+ νℓ Decays with Hadronic
Tagging, Belle Collaboration • R. van Tonder (Bonn U., HISKP) et al., Publishedin: Phys.Rev.D 104 (2021) 11, 112011
36. Search for Z′→μ+μ- in the Lμ-Lτ gauge-symmetric model at Belle, Belle
Collaboration • T. Czank (Tokyo U., IPMU) et al., Published in: Phys.Rev.D 106(2022) 1, 012003
37. Combined analysis of Belle and Belle II data to determine the CKM angle φ3
using B+ → D(KS0 h- h+) h+ decays, Belle and Belle-II Collaborations • F.
Abudinén (INFN, Trieste) et al., Published in: JHEP 02 (2022), 063, JHEP 12(2022), 034 (erratum)
38. Search for B0 meson decays into Λ and missing energy with a hadronic tagging
method at Belle, Belle Collaboration • C. Hadjivasiliou (PNL, Richland) et al.,Published in: Phys.Rev.D 105 (2022) 5, L051101
39. Study of Bbar0 → D+h- (h=K/π) decays at Belle, Belle Collaboration • E.
Waheed (KEK, Tsukuba) et al. Published in: Phys.Rev.D 105 (2022) 1, 012003
40. Measurements of the branching fractions of Ξc0 → Λ KS0, Ξc0 → Σ0 KS0, andΞc0 → Σ+ K- decays at Belle, Belle Collaboration • Y. Li (Fudan U.) et al.,Published in: Phys.Rev.D 105 (2022) 1, L011102
41. Search for the decay Bs0 →ηη, Belle Collaboration • B. Bhuyan (Indian Inst.
Tech., Guwahati) et al., Published in: Phys.Rev.D 105 (2022) 1, 012007
42. Search for tetraquark states Xccsbarsbar in Ds+Ds+~(Ds*+Ds*+) final states at
Belle, Belle Collaboration • X.Y. Gao (Fudan U.) et al., Published in:Phys.Rev.D 105 (2022) 3, 032002
43. Search for a light Higgs boson in single-photon decays of Υ(1S) using Υ(2S)→ π+ π- Υ(1S) tagging method, Belle Collaboration • S. Jia (Fudan U.) etal., Published in: Phys.Rev.Lett. 128 (2022) 8, 081804
44. First Measurement of the Λc+ → p η' decay, Belle Collaboration • S.X. Li(Fudan U.) et al., Published in: JHEP 03 (2022), 090
45. R&D of the KEK Linac Accelerator Tuning Using Machine Learning, Akihiro Hisano,
Masako Iwasaki, Hajime Nagahara, Takashi Nakano, Yuta Nakashima et al.,Published in: JACoW ICALEPCS2021 (2022), WEPV010
学会・研究会講演
1. 「素粒子物理学実験への機械学習の適用研究」, 岩崎 昌子, JHPCN: 学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第 13 回 シンポジウム 2021 年 7 月
2. 「機械学習を適用した KEK 電子陽電子入射器ビーム調整システムの開発」, 久野 彰浩,
岩崎 昌子, 佐藤 政則, 佐武 いつか, 中島 悠太, 武村 紀子, 長原 一, 中野 貴志,
第 18 回日本加速器学会年会 2021 年 8 月

59

3. “Application of the Machine Learning to the Collider Experiments”, Masako
Iwasaki, Hajime Nagahara, Yuta Nakashima, Noriko Takemura, Takashi Nakano,Taikan Suehara, HeKKSaGOn (German-Japanese University Alliance) Data Science
Workshop 2021 年 9 月
4. 「ガス検出器用読み出し ASIC の開発と性能評価」，柿花愛恵 A, 宇野彰二 B, 谷口七重B, 宮原正也 B, 権守歩斗 C, 後田裕 B, C, 中野英一 A, D，阪市大理 A, KEKB, 東大理 C, 阪市
大 NITEPD，日本物理学会秋季大会（オンライン開催 2021 年 9 月）
5. 「機械学習を適用した KEK 電子陽電子入射器ビーム調整の開発：加速器シミュレータの基礎開発」，久野彰浩 A, 岩崎昌子 A, B, C, D, 佐藤政則 E, 佐武いつか E, 中島悠太 D, 武
村紀子 D, 長原一 D, 中野貴志 C, D，阪市大理 A, 阪市大理 NITEPB, 阪大 RCNPC, 阪大 IDSD,
高エネ研 KEKE，日本物理学会秋季大会（オンライン開催 2021 年 9 月）
6. “R&D of the KEK e-/e+ injector Linac Tuning based on ML: R&D on the
Accelerator Simulator using GAN”, A. Hisano, Summer Camp on ILC Accelerator
physics and detectors, 2021 年 9 月．
7. “Basic Study of Machine Learning Application to Collider Experiments”, C.
Kato, Summer Camp on ILC Accelerator physics and detectors, 2021 年 9 月．
8. “R&D of the KEK Linac Accelerator Tuning using Machine Learning”, A. Hisano,
M. Iwasaki, I. Satake, M. Satoh, H. Nagahara, N. Takemura, Y. Nakashima, T.
Nakano, 18th International Conference on Accelerator and Large Experimental
Physics Control Systems (ICALEPCS) 2021 年 10 月.
9. “Application of the machine learning to the collider experiments”, Masako
Iwasaki, 2021 IEEE Nuclear Science Symposium(NSS) and Medical Imaging
Conference(MIC) 2021 年 10 月 招待有り
10. 「素粒子・原子核実験および関連分野への深層学習の適用と発展」. 岩崎 昌子, 公益財団法人 山田科学振興財団 2021 年度研究交歓会 成果発表会 2021 年 10 月
11. 「機械学習を適用した KEK 電子陽電子入射器ビーム調整の開発」(企画講演)，岩崎昌子,阪市大理, 日本物理学会大 77 回年次大会（オンライン開催 2022 年 3 月）
12. 「機械学習を用いたスパースサンプリングによるデータ処理技術の基礎開発」，加藤睦
代 A, 岩崎昌子 A, B, C, D, 長原一 C, D, 末原大幹 E, 山田悟 F, 中島悠太 C, D, 武村紀子 C, D,
中野貴志 C, D，阪市大理 A, 阪市大 NITEPB, 阪大 RCNPC, 阪大 IDSD, 九大理 E, KEK 素核研
F，日本物理学会大 77 回年次大会（オンライン開催 2022 年 3 月）

学位論文
修士論文
1. 久野彰浩：環境適応型機械学習および次元削減を適用した KEK Linac 加速器制御の開発
2. 柿花愛恵：ガス検出器読み出し ASIC の開発と性能評価
卒業研究
1. 井上拓海，度会 龍：深層学習を用いた分類・回帰と擬似データ生成の基礎研究
2. 江川芳文：ドリフト速度の印加電圧依存性の研究

共同研究・研究助成金獲得状況
1.

「機械学習を用いた物理学実験用機器制御技術の開発」 文部科学省 文部科学省補助事
業「ダイバーシティ研究環境実現イニシアティブ（牽引型）」 2021 年 7 月 - 2022 年
3 月, 岩崎 昌子

60

2.

3.

「素粒子物理学実験への機械学習の適用研究」 学際大規模情報基盤共同利用(JHPCN)
萌芽型共同研究 2021 年 4 月 - 2022 年 3 月, 岩崎 昌子(代表), 末原 大幹, 武村 紀
子, 中島 悠太, 中野 貴志, 長原 一, 山田 悟
「素粒子物理学実験への機械学習の適用研究」 大阪大学サイバーメディアセンター 公
募型利用制度 2021 年 4 月 - 2022 年 3 月, 岩崎昌子

受賞
1. 久野彰浩, Summer Camp on ILC 202, 学生優秀発表, 2021 年 9 月．
2. 久野彰浩，2021 年度大阪市立大学大学院修士課程学位授与式，物理学科総代

その他
1.
2.
3.
4.

Belle II Speakers Committee member（2020 年 11 月 – 2022 年 10 月, 岩崎）高エネルギー物理学研究者会議 将来計画検討委員会メンバー（2021 年 10 月 – 2023
年 9 月, 岩崎）
Belle II Japan 合同大学院説明会・勉強会 2021 「加速器実験への機械学習の適用」
オンライン 2021 年 6 月（岩崎：講演，世話人）
数学や理科の好きな高校生のための市大授業 「素粒子の世界から宇宙を理解する？」
オンライン 2021 年 4 月 29 日（中野）5.

新入生保護者懇談会

6.

マイクロパターンガス検出器 (MPGD) &アクティブ媒質 TPC 合同研究会 岡山大学，2021
年 12 月（中野：世話人）
大阪府立大手前高校 サイエンス探究中間発表会 指導助言, 2022 年 1 月（岩崎）7.

物理学科担当オンライン

612021 年 5 月 29 日

素粒子論研究室
中尾憲一
教授
丸信人
准教授

山中真人(特任助教)
佐合紀親(博士研究員)
岡林一賢(D3)
大川瞭(D2)
鈴木光世(D2)
廣瀬拓哉(D2)
矢田貝祥貴(D2)小林大航(M2)
番場康太郎(M2)丸尾洋平(M2)
本村拓海(M2)
赤松拳斗(M1)
齋賀隆貴(M1)
田中周樹(M1)

研究概要
人類によるミクロ世界の認識は、物質→分子→原子→電子と原子核、原子核→ハドロン→
クォークと進んできました。電子は６種類確認されているレプトンと呼ばれるグループに属し、クォークも６種類確認されています。また、これらの素粒子の間に働く相互作用(重力、
電磁気力、弱い力、強い力)を媒介するゲージ場の存在も確認されています。近年、唯一の未発見粒子であったヒッグス粒子も発見されました。素粒子論研究室では、素粒子標準模型を超える物理の現象論、特に超対称性や高次元に基づいた現象論の研究に力を入れています。
まら、宇宙論やブラックホール、そして重力崩壊による時空特異点の形成などに注目して、強い重力場の物理に関する研究を行っています。

素粒子論研究室において2021年度に行われた研究は以下の通りです。
1. 背景磁場コンパクト化における高次元ゲージ場のスカラー場質量に対する量子補正の研究（丸、廣瀬）標準模型がプランクスケールまで正しいとすると、ヒッグス場の質量がプランクスケー
ルに比べて軽い説明をしなければならない。背景磁場中でコンパクト化された高次元ゲージ理論では、ゲージ場の余剰次元スカラー場の質量に対する量子補正が相殺される。その理由は、このスカラー場が余剰空間並進に対する南部・ゴールドストン(NG)粒子だからである。コンパクト化スケールがプランクスケールだとしても、余剰次元スカラー場の質
量が生成されず、余剰空間並進対称性がコンパクト化スケールより低いエネルギーの相互作用で破れれば、軽いスカラー場が実現されると期待できる。我々は、余剰次元スカラー場の有限質量が生成される相互作用を分類したのち、その中で一番簡単な相互作用を6次元スカラーQEDに導入し、スカラー場の質量を計算した(論文1)。また、質量だけでなく量子補正で生成される有限ポテンシャルを計算し、余剰次元スカラー場をインフラトンとみなすことにより、プランク衛星からの観測データと矛盾のないパラメタ領域を求めた(論文2)。
2. 高次元理論における強いCP問題の研究（丸）強い相互作用を記述するQCDでは、ゲージ不変性に抵触せずにθ項と呼ばれる項が許されるが、θ項はCP対称性を破る項であり、中性子磁気モーメントの実験データからその係数が非常に小さくなければならない。その係数を自然に小さくする解として、U(1)対称性の擬NGボソン粒子であるアクシオンを用いるアプローチが知られている。コンパ
クト化された高次元理論において、しばしばアクシオンを高次元ゲージ場の余剰次元スカ
ラー場とみなし、コンパクト化されていない場合のチャーンサイモンズ(CS)項を用いて、62

強いCP問題を議論している。我々は、コンパクト空間の周期性を備えた一般化されたCS項を導出し、強いCP問題の新しい解を提案した（論文3）。この一般化されたCS項により、
例えばアクシオンの2光子崩壊などに新たな予言が与えられると期待され、アクシオン探索実験に対しインパクトがある。
3. グラディエントフローによる超対称理論の研究（丸，鈴木）
超対称理論を格子上で扱うのは一般に困難であり，その解決策としてグラディエントフ
ロー法が注目されている。フローの先行研究では，超対称性を持たない理論や簡単な超対称理論について議論がなされている。本研究では物質場と相互作用する，より一般的な4次元 N=1 超対称 QCD に対して超対称フロー法の構成を進めている。本年度は超対称
QCD に対する超対称フロー方程式の逐次近似解を求め，フロー相関関数の摂動計算を1ループレベルで行なった。ゲージ多重項は境界の理論を繰り込むだけで紫外有限となった。
物質多重項はさらに波動関数繰り込みも必要だが，各成分場でその値は共通である。これ
らの結果は，「フロー場の相関関数には余計な紫外発散が一切現れない」というフロー法の強力な性質に対して，超対称理論への素直な拡張を1ループレベルで確認できたと言える。この研究は，加堂大輔氏（同志社大学）と浮田尚哉氏（筑波大学計算科学研究センター）と共同で進められた。
4. ブラックホール・シャドウ＝重力崩壊体の像 (岡林、丸尾、中尾)
M87 銀河の中心方向を既存の電波望遠鏡を用いて撮影するとブラックホール・シャドウと呼ばれる像が得られると理論的に予言されていたが、2019 年に Event Horizon
Telescope Collaboration によって遂にブラックホール・シャドウが撮影され、科学者の世界だけでなく広く一般に大きな注目を浴びることとなった。そのときにブラックホー
ル・シャドウはブラックホールのシルエットであり、その意味で「ブラックホールの直接観測」という説明を見かけることがあったが、厳密にいえばブラックホールが光源からの光を遮ることによってできるシルエットではない。シルエットのように見える黒い像は、重力崩壊によって時間が極めてゆっくり進む領域の像である。2021 年度は以下の２つのテーマに取り組んだ。(1)ブラックホール・シャドウの時間変化（岡林）：光速で降着す
る物質によって時間変化するブラックホール・シャドウとフォトン球の研究を宇宙物理研
究室の安積氏と立教大の古賀氏、木村氏との共同研究で進めた。(2)閉じた宇宙のブラックホールシャドウ（丸尾、中尾）：ブラックホールの存在しない時空の典型例であるビッ
ククランチ特異点を持つ閉じた宇宙モデルにおける重力崩領域の像に関する研究を進めた。
5. 重力崩壊過程に伴う粒子生成（岡林、中尾）
重力崩壊の末にブラックホールが形成される過程で量子論的な場の時間発展を考えると、Hawking 輻射と呼ばれる熱平衡分布の粒子が生成されることが理論的に予言されている。この輻射はブラックホールの事象の地平面の存在が原因であり、ブラックホールに特有の現象だと考えられていた。しかし、重力崩壊している物体がブラックホールにならない場合でも、それが事象の地平面のサイズに十分近づくまで重力崩壊するならば、その過程で熱輻射のスペクトルの粒子が生成されることが Barcelo らによる先行研究によって明らかにされた。すなわち、熱輻射のスペクトルの粒子生成はブラックホール時空に特有な現象ではないことが明らかになったのである。事象の地平面の存在しないコンパクト天
体が重力崩壊で形成されるとき、量子論的に生成される粒子の流速を計算し、その流速の時間変化に特徴的なピークが現れることが明らかにされている。しかし、先行研究で用いられたコンパクト天体は、内部が真空の球殻モデルと一様密度球に関するモデルであるが、2021 年度は以下の 2 例の研究を進めた。(1) 同心の無限に薄い球殻が複数存在するモデル（岡林）：球対称系でも重力崩壊体の内部構造によって量子論的放射の放射強度の時間

63変化やスペクトルにバラエティーがあり得ることを示した。(2)最終生生物が gravastarとなる球対称重力崩壊（中尾、岡林）：立教大学の原田氏と協力して研究を進め、ブラッ
クホールが形成される場合の 熱放射線（Hawking 放射）だけでなく、gravastar が形成された後に gravastar 内部の de Sitter 時空の Gibbons-Hawking 温度で特徴づけられる熱的なスペクトルの放射が有限時間観測されうることを示した。
6. ブラックホール摂動法を用いた重力波源の研究（佐合）コンパクト天体からなる連星系は重力波観測において最も重要なターゲットである。
LIGO グループが重力波直接観測に初めて成功して以降、90 以上のコンパクト天体連星合体イベントが観測されている。今後、さらに多くのイベントを精度よく観測できるようになれば、ブラックホールの精密な観測や一般相対論の検証などが可能になると期待される。
そのためには、観測器の感度改善に加えて、連星から放出される重力波理論波形の精密な予測が不可欠である。
佐合は、重力波によるブラックホール候補天体の精密観測の実現を掲げ、(1)大質量比連星の軌道進化と重力波の精密予測、および、(2)連星合体で形成される天体からの重力波
解析の二つを主要テーマとして研究を進めている。

教育・研究業績
著書
該当無し

学術論文
1. T. Hirose and N. Maru, “Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”, Journal ofHigh Energy Physics 06 (2021) 159.
2. T. Hirose and N. Maru, “Extranatural Flux Inflation”, Journal of High Energy Physics 09 (2021)
124.
3. Y. Adachi, C.S. Lim and N. Maru, “Strong CP Problem and Higher Dimensional Gauge
Theories”, Progress of Theoretical and Experimental Physics (2022) 5, 0530 B6.
4. K. Okabayashi, T. Harada, K. Nakao, “Robustness of particle creation in the formation of a compact
object”, Progress of Theoretical and Experimental Physics, Volume 2022, Issue 2, 023E02 (2022).
5. Yasutaka Koga, Nobuyuki Asaka, Masashi Kimura, Kazumasa Okabayashi, “Dynamical photon
sphere and time evolving shadow around black holes with temporal accretion,” arXiv:2202.00
201 (2022).
6. Ken-ichi Nakao, Kazumasa Okabayashi, Tomohiro Harada, “Quantum particle creation in grava
star formation; Radiation with Gibbons-Hawking temperature”, arXiv:2203.14519 (accepted in
Oct. 2022, Physical Review D).
7. Norichika Sago, Takahiro Tanaka,“Oscillations in the extreme mass-ratio inspiral gravitational
wave phase correction as a probe of a reflective boundary of the central black hole”, PhysicalReview D 104 064009 (2021),
8. Norichika Sago, Soichiro Isoyama, Hiroyuki Nakano,“Fundamental Tone and Overtones of
Quasinormal Modes in Ringdown Gravitational Waves: A Detailed Study in Black Hole
Perturbation”, Universe 2021, 7(10), 357 (2021)>
9. Soichiro Isoyama, Ryuichi Fujita, Alvin J. K. Chua, Hiroyuki Nakano, Adam Pound, Norichika
Sago,“Adiabatic waveforms from extreme-mass-ratio inspirals: an analytical approach”, e-Print
Archive: arXiv:2111.05288 [gr-qc] (Accepted in June 2022, Physical Review Letters 128,
231101).

64

10. Norichika Sago, Takahiro Tanaka,“Efficient search method of anomalous reflection by the central
object in an EMRI system by future space gravitational wave detectors”, e-Print Archive:
arXiv:2202.04249 [gr-qc] (Accepted in July 2022, Physical Review D 106, 024032).

国際会議会議録
該当無し

国際会議・研究会講演
1. Takuya Hirose: “Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”，East Asia Joint
Symposium on Fields and Strings 2021，2021年11月，Osaka City University, Osaka (口頭)
2. Takuya Hirose：“Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”, KEK Theory
Workshop 2021, 2021年12月, Online (Oral)
3. M. Suzuki: “UV divergent structure of supersymmetric gradient flow in N=1 SQCD”, KEK
Theory Workshop 2021, 2021年12月, Online
4. N. Sago: “Oscillations in the EMRI gravitational wave phase correction as a probe of reflective
boundary of the central black hole”, Online JGRG Workshop 2021, Dec. 2021.

国内学会・研究会講演
1. 廣瀬拓哉: “Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”, 日本物理学会 秋季大会, オンライン, 2021年9月(口頭) (学生優秀発表賞受賞)
2. 廣瀬拓哉: “Extranatural Flux Inflation”, 日本物理学会 秋季大会, オンライン, 2021年9月(口頭)3. 廣瀬拓哉：“フラックスコンパクト化におけるスカラー場の有限な質量補正とインフレー
ションへの応用”, 原子核三者若手夏の学校, 2021年8月, オンライン(口頭発表)
4. 廣瀬拓哉: “Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”, Strings and Fields 2021,
京都大学基礎物理学研究所, 2021年8月, オンライン(ポスター)
5. 廣瀬拓哉：“フラックスコンパクト化におけるスカラー場の有限な質量補正とインフレー
ションへの応用”, 素粒子物理学の進展2021, 京都大学基礎物理学研究所, 2021年9月, オ
ンライン(口頭発表)
6. 廣瀬拓哉：“Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”, KEK Theory Workshop
2021, 2021年12月, オンライン(口頭発表)
7. 廣瀬拓哉：“Nonvanishing Finite Scalar Mass in Flux Compactification”, 九州大セミナー 2022
年1月18日, オンライン
8. 鈴木光世：“N=1 SQCDにおける超対称グラディエントフローの紫外有限性”, 日本物理学会 秋季大会, オンライン, 2021年9月
9. 鈴木光世：“N=1 SQCDにおける超対称グラディエントフローの紫外有限性”, 日本物理学会第77回年次大会, オンライン, 2022年3月
10. 鈴木光世：“N=1 SQCDにおける超対称グラディエントフローの紫外有限性”, 原子核三者
若手夏の学校, 2021年8月, オンライン
11. 鈴木光世：“UV-finiteness of supersymmetric gradient flow in N=1 SQCD”, String and Fields
2021, 京都大学基礎物理学研究所, 2021年8月
12. 鈴木光世：“N=1 SQCDにおける超対称グラディエントフローの紫外有限性”, 素粒子物理学の進展2021, 京都大学基礎物理学研究所, 2021年9月, オンライン(口頭発表)
13. 赤松拳斗: “Flux compactification and naturalness (review)”, 原子核三者若手夏の学校 2021,

65

2021年8月, オンライン(ポスター).
14. 岡林一賢: “コンパクト天体の形成に伴う粒子生成と内部構造”, 日本物理学会 2021年秋季大会, オンライン, 2021年9月
15. 佐合紀親: “ブラックホール疑似天体を周回する粒子からの重力波”, 日本物理学会2021年
秋季大会、オンライン開催、2021年9月14-17日.
16. 佐合紀親: “B-DECIGOを用いた「中間質量」連星ブラックホールの多波長重力波観測”, 第20回DECIGOワークショップ，オンライン開催，2021年12月11日．
17. 佐合紀親：“Detectability of the EMRI gravitational wave phase correction induced by reflective
boundary”, Innovative Area "Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis GroupA Winter Camp, ハイブリッド開催、2022年1月23-24日
18. 佐合紀親：“リングダウン重力波における準固有振動の基音・倍音モード”, 第 77 回日本物理学会年次大会,リモート開催 2022 年 3 月 15-18 日
19. 中尾憲一：“ブラックホールと時空特異点”，研究会「相対論と重力理論 2021」大阪市
立大学・ハイブリッド開催，2022 年 3 月 10-11 日

その他
【受賞】
1. 岡林一賢：2021年秋季大会 日本物理会学生優秀発表賞 “コンパクト天体の形成に伴う粒子生成と内部構造”
2. 廣瀬拓哉：2021年秋季大会 日本物理会学生優秀発表賞 “Nonvanishing Fintie Scalar Mass in
Flux Compactification”【一般講演】
3. 丸信人：「素粒子の世界」, 大阪府高齢者大学校, 2021年6月28日, 10月4日, 11日,
大阪助産師会館にて3回講義
4. 丸信人：「異次元ワールドへのお誘い」出張講義, 大阪市立東高等学校(オンライン),
2021年7月12日
5. 丸信人：「異次元ワールドへのお誘い」出張講義, 奈良市立一条高等学校, 2021年10月7日【セミナー講演】
6. 丸信人:「Flux Compactification and Naturalness」，セミナー(オンライン)，2021年7月28日, 京
都大学【プレスリリース】
7. 丸信人, 廣瀬拓哉：「世界初!フラックスコンパクト化された理論におけるスカラー場の質量生成に成功」2021年7月6日掲載

66

学位論文
修士論文
1. 小林大航:「2ヒッグスダブレット模型の高次元模型への拡張にむけて」
2. 番場康太郎:「APS index theoremとドメインウォール」3. 本村拓海:「レプトクォークが媒介粒子となるCLFV過程eN→τX」
4. 丸尾洋平:「閉じた宇宙の中で重力崩壊する星の赤方偏移」
博士論文
1. 岡林一賢：「Particle creation in gravitational collapse to form a horizonless compact object」

研究助成金取得状況
1.

丸信人：日本学術振興会科学研究費補助金・基盤(C)「超対称フローが導く数値超対称性の新展開」(研究分担者) 直接経費5万円
2. 山中真人：文部科学省 数学・理論物理の協働・共創による新たな国際的研究・教育拠点「暗黒物質と宇宙定数をプローブとした根源的素粒子模型の追究」, 350,000円
3. 山中真人：学術変革領域研究（Ａ）「マルチメッセンジャーで探る重いダークマター」,
55,380,000円
4. 鈴木光世：次世代研究者挑戦的研究プログラム「リゾーム型研究人材育成プログラム」
研究奨励費 200万円, 研究費20万円, その他留学支援費など（2022年度分採用）
5. 中尾憲一: 日本学術振興会科学研究費補助金・基盤(C)「高速回転する超コンパクト天体とその極近傍における物理過程の理論的研究」(研究代表者) 直接経費40万円, 間接経費
12万円
6. 佐合紀親：日本学術振興会科学研究費補助金・基盤(B)「銀河中心ブラックホールの精密観測に向けた重力波理論波形の構築」（研究代表者）2021〜2025年度 12,480,000円

海外出張および海外研修
該当無し

外国人研究者招聘
該当無し

その他
1.
2.
3.
4.
5.
6.

中尾憲一：素粒子奨学会委員
山中真人：国内研究会「素粒子現象論研究会2021」世話人
廣瀬拓哉：2022年度日本学術振興会特別研究員 DC2採用内定
廣瀬拓哉：2021年度原子核三者若手夏の学校センター校代表
鈴木光世：公益財団法人 小野奨学会 給付型奨学金(年72万円)
鈴木光世：一般財団法人 高橋誠悦育英会 給付型奨学金(年10万円)

67

数理物理研究室
森山 翔文 (教授)大田 武志 (研究員)中島 爽太 (D3)古賀 勇一 (D1)
松村 和信 (M1)
谷川 昇右 (B4)

西中 崇博 (准教授)関 穣慶 (研究員)
古川 友寛 (D3)中西 智暉 (M2)佐々木 照 (M1)
濱近 諒 (B4)

糸山 浩司 (研究員)
吉岡 礼治 (研究員)矢野 勝也 (D3)
潘 敏 (M2)
糸井 大志 (B4)
道脇 元紀 (B4)

研究概要
1. 量子曲線と量子表現（森山）先行研究で明示的に書き下した E8 ワイル群の対称性を持つ量子代数曲線に対して，表現を
τ 変数に持ち上げることにより量子ワイル群を整備した．整備を通じて，先行研究で発見した量子代数曲線の「段々畑構造」を差分方程式の非 log 性から特徴付けることができた．
2. 双対カスケードとアフィンワイル群（古川，中西，松村，森山）
超対称ゲージ理論に双対変換を繰り返し適用することにより，低いランクのゲージ理論に帰着することが知られており，双対カスケードと呼ばれる．対応する円周上のブレーン配位で，双対変換はハナニー-ウィッテン変換として実現され，最低ランクで円周を切断すると，双対
カスケードにおける他の相対ランクの変化は相対ランク空間の平行移動になることが先行研究から知られていた．本研究において，(1) 平行移動は，量子曲線が持つワイル群の対称性を，アフィンワイル群に持ち上げたときの平行移動であること，(2) これ以上双対カスケー
ドを起こさない相対ランクの部分空間を超対称ゲージ理論の基本領域とよぶと，基本領域がアフィンワイル部屋になることを発見した．
3. mostly BRST exact 演算子を用いた弦の振幅の導出（関）従来、弦の tree level の 2 点振幅は、無限のゲージ体積が残るため、ゼロになると考えられてきたが、我々は、mostly BRST exact 演算子を導入することで完全にゲージ固定し、この演算子を含む 3 点相関関数から、非ゼロのボソン開弦 2 点振幅が得られることを示した。そこで、我々は、この新しいゲージ固定法を用いて、mostly BRST exact 演算子を含む 4 点および 5 点相関関数から、それぞれ、従来の 3 点および 4 点振幅が再現されることを示した。
また、この mostly BRST exact 演算子を含む n + 1 点相関関数から、n 点振幅が得られると予想した。
4. 非超対称なストリング理論の T-双対性（糸山、古賀、中島）
Twisted コンパクト化によって構築される非超対称なストリング模型の T-双対性を調べた。
このような模型の T-双対性群は O (dL , dR , Z) に合同条件を与えることによって得られること、つまり、非超対称なストリング模型は O (dL , dR , Z) の合同部分群による変換の下で不変になることを示した。また、非超対称なストリング模型間の遷移は O (dL , dR , Z) 変換を作用させることにより誘導されることを指摘した。
5. ゲージ化された Argyres-Douglas 共形場理論の分配関数（西中）
4 次元 N = 2 超対称性を持つ共形場理論のうち Argyres-Douglas（AD）型のものについて，
ゲージ場と結合させた際の Nekrasov 分配関数への寄与を計算する公式を開発した．さらにその公式を用いて (A2 , A5 ) 理論と呼ばれる共形ゲージ理論の分配関数を厳密に計算し，その結果がよく知られた N = 2 超共形 QCD の分配関数に類似していることを発見した．またこの類似性を用いて，S 双対性変換のもとで (A2 , A5 ) 理論の SU (2) ゲージ結合定数がどのように振る舞うかを明らかにした．

68

教育・研究業績
学術論文
1. T. Furukawa, S. Moriyama and T. Nakanishi, “Brane transitions from exceptional groups,”
Nucl. Phys. B 969 (2021), 115477 doi:10.1016/j.nuclphysb.2021.115477 [arXiv:2010.15402[hep-th]].
2. T. Kimura, T. Nishinaka, Y. Sugawara and T. Uetoko, “Argyres-Douglas theories, Sduality and AGT correspondence,” JHEP 04 (2021), 205 doi:10.1007/JHEP04(2021)205[arXiv:2012.14099 [hep-th]].
3. H. Itoyama and K. Yano, “Theory space of one unitary matrix model and its criticalbehavior associated with Argyres-Douglas theory,” Int. J. Mod. Phys. A 36 (2021) no.30,
2150227 doi:10.1142/S0217751X21502274 [arXiv:2103.11428 [hep-th]].
4. S. Moriyama and Y. Yamada, “Quantum Representation of Aﬃne Weyl Groups and Associated Quantum Curves,” SIGMA 17 (2021), 076 doi:10.3842/SIGMA.2021.076 [arXiv:2104.06661[math.QA]].
5. H. Itoyama, Y. Koga and S. Nakajima, “Gauge Symmetry Enhancement by Wilson Lines
in Twisted Compactiﬁcation,” [arXiv:2106.10629 [hep-th]].
6. S. Seki and T. Takahashi, “Reduction of open string amplitudes by mostly BRST exact operators,” Phys. Lett. B 822 (2021), 136664 doi:10.1016/j.physletb.2021.136664[arXiv:2108.05628 [hep-th]].

7. H. Itoyama, A. Mironov, A. Morozov and R. Yoshioka, “Review on the operator/Feynman
diagram/dessins d’enfants,” Int. J. Mod. Phys. A 37 (2022) no.03, 2130019 doi:10.1142/S0217751X213001[arXiv:2109.05245 [hep-th]].
8. I. Kishimoto, T. Sasaki, S. Seki and T. Takahashi, “The Veneziano amplitude via mostly
BRST exact operator,” Nucl. Phys. B 974 (2022), 115647 doi:10.1016/j.nuclphysb.2021.115647[arXiv:2109.08433 [hep-th]].
9. H. Itoyama, Y. Koga and S. Nakajima, “Target space duality of non-supersymmetricstring theory,” Nucl. Phys. B 975 (2022), 115667 doi:10.1016/j.nuclphysb.2022.115667[arXiv:2110.09762 [hep-th]].
10. T. Furukawa, K. Matsumura, S. Moriyama and T. Nakanishi, “Duality cascades and aﬃne
Weyl groups,” JHEP 05 (2022), 132 doi:10.1007/JHEP05(2022)132 [arXiv:2112.13616[hep-th]].
11. M. Buican, H. Jiang and T. Nishinaka, “Spin thresholds, RG ﬂows, and minimality in 4D
N = 2 QFT,” Phys. Rev. D 105 (2022) no.8, 085021 doi:10.1103/PhysRevD.105.085021[arXiv:2112.05925 [hep-th]].

国際会議会議録
1. S. Moriyama, “Nambu brackets, Chern-Simons theories, quantum curves and M2-branes,”
PTEP 2021 (2021) no.12, 12C102 doi:10.1093/ptep/ptab049
2. S. Iso, H. Itoyama, K. Maruyoshi, T. Nishinaka, T. Oota, K. Sakai, A. Tsuchiya andR. Yoshioka, “Proceedings of the East Asia Joint Symposium on Fields and Strings 2021,”
doi:10.1142/13004

国際会議開催
1. 国際研究会 “East Asia Joint Symposium on Fields and Strings 2021”, 21/11/22-21/11/26.

69

2. 国際研究会 “Geometry, Representation Theory and Quantum Fields”, 22/03/22-22/03/25.

国際会議講演
1. Shigenori Seki, “Entanglement produced by scattering”, “17th International Conferenceof Computational Methods in Sciences and Engineering 2021”, 21/09/04-21/09/07, Heraklion, Greece (online).
2. Sanefumi Moriyama, “M2-branes & Quantum Curves”, “East Asia Joint Symposiumon
Fields and Strings 2021”, 21/11/22-21/11/26 （講演日 21/11/25）, Osaka City University.
3. Sanefumi Moriyama, “Duality Cascades & Aﬃne Weyl Groups”, “Geometry, Representation Theory and Quantum Fields”, 22/03/22-22/03/25 （講演日 22/03/23）, Osaka City
University.
4. Takahiro Nishinaka, “The Nekrasov partition function and Schur index of gauged ArgyresDouglas theories”, “Geometry, Representation Theory and Quantum Fields”, 22/03/2222/03/25 （講演日 22/03/24）, Osaka City University.
5. Sota Nakajima, “Target space duality of non-supersymmteric string theory”, “East Asia
Joint Symposiumon Fields and Strings 2021”, 21/11/22-21/11/26 （講演日 21/11/24）,
Osaka City University.

学会・研究会講演
1. 糸山浩司, 古賀勇一, 中島爽太, “ヘテロティック弦の内挿模型とその有効理論”, 日本物理学会 2021 年秋季大会.
2. 関穣慶, 高橋智彦, “String amplitudes given by mostly BRST exact operator”, 日本物理学会 2021 年秋季大会.
3. 糸山浩司, 古賀勇一, 中島爽太, “非超対称な弦理論の T-デュアリティ”, 日本物理学会第 77
回年次大会（2022 年）.
4. 松村和信, 古川友寛, 森山翔文, 中西智暉, 佐々木照, “双対性カスケードとワイル群構造”, 日
本物理学会第 77 回年次大会（2022 年）.
5. 岸本 功，北出 智巳，佐々木 智子， 関 穣慶，高橋 智彦，“Mostly BRST Exact 演算子による Veneziano 振幅の導出 ，日本物理学会第 77 回年次大会（2022 年）．
6. 岸本 功，北出 智巳，佐々木 智子， 関 穣慶，高橋 智彦，“BRST 形式による dilaton tadpole
振幅の導出 ，日本物理学会第 77 回年次大会（2022 年）．
7. 森山翔文，“Spectral Theories & Topological Strings on del Pezzo Geometries”, 21/07/21,
立教大学セミナー, (zoom).
8. 古川友寛，“Quantum curves and Brane transitions”, 21/09/10, 名古屋大学 多弦数理物理学セミナー, (zoom).

その他
1. 森山翔文，“M 理論と行列模型の数理物理学”, 21/11/08, 大阪大学数学専攻談話会．
2. 森山翔文，“M 理論と行列模型の数理物理学”, 21/11/08-21/11/12, 大阪大学数学専攻集中
講義．

70

学位論文
修士論文
1. 中西 智暉，“量子曲線を用いたブレーン配位の解析” (Quantum Curves and Brane Conﬁgurations).

博士論文
1. 中島 爽太，“Aspects of non-supersymmetric string theory” （非超対称なストリング理論の諸側面）.
2. 古川 友寛，“Brane transitions in a circle and Exceptional groups” （ブレーン変換と例
外群）.
3. 矢野 勝也，“Critical behavior of unitary matrix models that give rise to N = 2 supersymmetric gauge theories of Argyres-Douglas type” （Argyres-Douglas 理論を与えるユニタリー行列模型の臨界点での振る舞い）.

研究助成金取得状況
1. 関 穣慶， 量子エンタングルメントに関する S 行列理論と弦理論の研究 ，2017–2022（継続）．
2. 高橋 智彦（代表）, 岸本 功（分担）, 関 穣慶（分担）, “開弦の場の理論から迫る閉弦のダ
イナミクス , 2020-2022（継続）．
3. 森山 翔文， 弦理論の非摂動論的な効果の解析から、M 理論の地図の解明へ ，2019–2022（継続）．
4. 西中 崇博

アルジレス・ダグラス理論の双対性の研究

2018-2022（継続）．

5. 荒川 知幸（代表），西中 崇博（分担），山内 博（分担），疋田辰之（分担），川節 和哉（分担）， 新時代の頂点代数の表現論 2021-2025（新規）．

海外出張および海外研修
1.

その他
1. 森山 翔文，
「素粒子理論物理学ってなに？〜素粒子が造り出す自然の美と数学的構造〜」，福
岡県立修猷館高校同窓会「東京修猷会二木会」，21/07/08, (zoom).
2. 西中 崇博，「全ての物質を構成する素粒子とは何か?」，大阪市立大学市民セミナー『21 世紀の物理学』，21/11/28，大阪市立大学．

71

宇宙物理研究室
石原 秀樹

教授

吉野 裕高(数学研究所研究員)
森澤 理之(数学研究所研究員)
松野 研 (数学研究所研究員)
小川 達也(数学研究所研究員)
加藤 亮 (数学研究所研究員)

安積 伸幸(D3)遠藤 洋太(D2)奥谷 健太(M2)小久保裕貴(M2)
佐田 彩夏(M2)末藤 健介(M1)
田村 悠陽(M1)村上 由三(M1)

研究概要
宇宙物理（重力）グループは，アインシュタインの一般相対性理論を基礎として， 宇宙における強い重力場を伴う物理的現象を重点的に研究している．素粒子論研究室とはコロキウム
を共同開催し，研究・教育も協力して行っている． 2021年度に行った研究を以下にまとめる．
1. 複素スカラー場とゲージ場の系の非トポロジー的ソリトン（小久保，奥家，遠藤，小川，加藤，石原）a) 複素スカラー場，Higgsスカラー場，U(1)ゲージ場および重力場からなるモデルでの非トポロジー的ソリトン星の数値計算による解析を行った．一般相対論的重力場と結合した
ソリトン星として，内部が de Sitter 時空で外部がSchwarzschild時空の構造をもつ，グラバスターと呼ばれる解が得られた．場の理論のモデルでグラバスターを初めて構成した．
b) 内部がダスト流体と同じになっているソリトン星，グラバスターなどの線形安定性を数値的に解析した．
c) 複素スカラー場の位相の同期の機構を簡単化したモデルを用いて解析した．
d) 自己相互作用で形成される非トポロジー的ソリトンの球対称非線形摂動の時間発展を数値的に解析し，スカラー場の球対称波動による質量降着を調べた．
2.

超流動渦と重力のアナロジー（佐田，小川，石原）
流体中を伝播する音波の波動方程式は時空を伝播するスカラー場の波動方程式と同じ形をもち，これを利用して，流体と重力場のアナロジーの研究がなされている．最近，超低温研究室で作られた，超流動 4He の巨大吸い込み渦中を伝播する第2音波に注目し，渦の速度場
中の音波が感じる計量を導き，短波長近似で導かれるヌル測地線方程式を解くことによって，音の軌道を解析した．
短波長音波は螺旋軌道をもつことを示し，これはブラックホールの光の不安定円軌道に対応することがわかった．さらに，円軌道の半径が，渦の速度場の角度成分に対する音の角運
動量の相対的な向きに依存することを示し，カーブラックホールの周りの光の円軌道の性質との類似性を明らかにした．

3.

接触幾何と時空解 （石原）接触空間は，ねじれたベクトル場である接触形式をもつことが特徴である．接触空間の特別なものである3次元佐々木空間を部分空間としてもつような4次元時空について，Einstein
方程式の厳密解を構成した．接触形式の方向に運動するダスト流体を重力源として Einsteinの静的宇宙解を非一様な厳密解に拡張することができた．また，時間方向を含む3次元佐々木
空間を用いて，スカラー場とU(1)ゲージ場の理論において Göedel宇宙タイプの厳密解が得られた．ここでは，ゲージ場が接触形式の期待値をもつことが特徴である．

72

4. 時空中の光子の運動に関する一般論（天羽将也（京大基研），泉圭介（名大），富川祥宗（松山大），吉野，白水徹也（名大））空間中の任意の閉曲面上の重力場の強さを特徴づける新しい概念（Attractive Gravity Probe
Surface） を提案し，その面積がある不等式を満たすことを共形流とよばれる技術を使って証明した．また，遠方で動径座標に接するように飛ばした光子の挙動を一般的に調べた．高次元時空においてはその光子はほぼ直線的に運動するが，４次元時空においては重力波や光の速度で伝播する物質の流れがある場合、一時的に半径が小さくなる方向に運動しうることを示した．
5．ブラックホール磁気圏による高周波重力波の生成（斎藤海秀（神戸大），早田次郎（神戸大），吉野）
ブラックホール磁気圏において降着円盤から放射されるＸ線がブラックホールまわりを旋回するときに，磁場との相互作用により重力波に変換される過程を考察した．無数の銀河中心からそのような重力波が放射されるため，地球では宇宙背景重力波として届く．その背景重
力波のエネルギー密度を計算し，観測可能性を議論した．
6. 5 次元 Kaluza-Klein ブラックホールの性質 （松野研）
5 次元帯電 Kaluza-Klein ブラックホールからのホーキング放射を、荷電粒子のトンネリン
グに基づいて調べた。最小の測定可能な長さを伴う一般化された不確定性原理によって予測される現象論的量子重力効果を検討した。
静的な 5 次元帯電 Kaluza-Klein ブラックホール時空における、磁化されていない低温一様プラズマ媒体中の光子の運動を調べた。一般相対論に対する光の偏向角の補正を導出し、その補正は余剰次元の大きさ、ブラックホールの電荷、プラズマと光子の周波数の比に関係す
ることがわかった。

教育・研究業績
学術論文
1. "Relativistic nontopological soliton stars in a U(1) gauge Higgs model",Yota Endo, Hideki Ishihara, Tatsuya Ogawa, Phys.Rev.D 105 (2022) 10, 104041
2. "Inhomogeneous generalization of Einstein’s static universe with Sasakian space",
Hideki Ishihara, Satsuki Matsuno, PTEP 2022 (2022) 2, 023E01.
3. "Gödel-type solutions in Einstein–Maxwell–scalar field theories",
Hideki Ishihara, Satsuki Matsuno, PTEP 2022 (2022) 1, 013E02
4. “Area bound for surfaces in generic gravitational field",
Keisuke Izumi, Yoshimune Tomikawa, Tetsuya Shiromizu, Hirotaka Yoshino
Prog. Theor. Exp. Phys. (2021) 083D02.
5. “Universal 1020Hz stochastic gravitational waves from photon spheres of black holes”,
Kaishu Saito, Jiro Soda, and Hirotaka Yoshino, Phys. Rev. D 104 (2021) 063040.
6. “Asymptotic behavior of null geodesics near future null infinity: Significance ofgravitational waves”,
Masaya Amo, Keisuke Izumi, Yoshimune Tomikawa, Hirotaka Yoshino, Tetsuya
Shiromizu, Phys.Rev.D 104 (2021) 064025.
7. “Asymptotic behavior of null geodesics near future null infinity II: curvatures, photon
surface, and dynamically transversely trapping surface",
Masaya Amo, Tetsuya Shiromizu, Keisuke Izumi, Hirotaka Yoshino, Yoshimune
Tomikawa, Phys. Rev. D105 (2022) 064074.
8. "Hawking radiation of scalar particles and fermions from squashed Kaluza–Klein
black holes based on a generalized uncertainty principle",

73

9.

Ken Matsuno, Class.Quant.Grav. 39 (2022) 7, 075022.
"Light deflection by squashed Kaluza-Klein black holes in a plasma medium",
Ken Matsuno, Phys.Rev.D 103 (2021) 4, 044008.

国際会議発表1. Ken Matsuno,“Hawking radiation from squashed Kaluza-Klein black holes with quantum gravity effects”,
The 30th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (December 6-10, 2021).
学会・研究会講演
1.佐田 彩夏“超流動Heの吸い込み渦の重力場アナロジーにおける音の円軌道”
第22回「特異点と時空、および関連する物理」研究会(2021年12月28日～30日 オンライン）
2.吉野裕高, 早田次郎
“重力誘導デコヒーレンスについて”
日本物理学会第77回年次大会,
Online zoom（2022年3月15日）
研究会主催
1. ブラックホール磁気圏研究会２０２２
大阪市立大学杉本キャンパス基礎教育実験棟階段教室（2022 年 3 月 8 日〜10 日）
2. 研究会「相対論と重力研究の現在，過去・未来」
大阪市立大学杉本キャンパス理学部 E211 教室（2022 年 3 月 10 日〜12 日）
その他
１．石原秀樹大手前高等学校７４期サイエンス探究最終発表会 講評（2021 年 7 月 10 日 大手前高等学校）
学位論文
修士論文
1. 小久保裕貴“非トポロジカルソリトン形成における位相の同期現象”(Phase synchronization in nontopological soliton formation)
2. 奥谷 健太
“ノントポロジカルソリトンの球対称非線形摂動の時間発展”(Time evolution of spherically symmetric nonlinear perturbation of nontopologicalsolitons)
3. 佐田 彩夏
“超流動 4Heの吸い込み渦の重力場アナロジーにおける音の円軌道”(Circular Propagation of Sound in Gravitational Analogy of Superfluid 4He Suction
Vortex)
博士論文
1.松野 皐74

“Applications of Contact Geometry to General Relativity”(接触幾何学の一般相対論への応用)

研究助成金取得状況
1. 吉野裕高 科研費基盤研究 (C) （代表）
「超弦的アクシオンが引き起こす重力波現象の理論的探査」
2. 吉野裕高 科研費学術変革領域研究 (A) （分担）「量子情報を用いた量子宇宙の数理とその応用」

75

原子核理論研究室
有馬正樹 教授
千葉陽平 特任助教
沈相仁
特任助教

緒方一介 准教授(※)（※

山本昌幸（M2）

阪大とのクロスアポイントメント）

櫻木弘之 教授／副学長

研究概要
1. 核子ノックアウト反応を用いた原子核の一粒子構造(魔法数)の研究（緒方）理化学研究所で測定された、陽子標的による不安定核の1核子ノックアウト反応を微視的歪曲波インパルス近似(DWIA)で分析することにより、質量数50～60付近の中性子過剰
核で発言する魔法数の変化を明らかにした。また、DWIAで標準的に行われている非局所補正の方法の正当性を調査した。
2. アイソスカラー単極子型遷移強度とα非弾性散乱の関係の解明（緒方・千葉・櫻木）
α粒子によって原子核を0+基底状態から別の0+状態に励起させる非弾性散乱は、アイソ
スカラー単極子型(IS0)演算子に対する原子核の応答、すなわち原子核のクラスター励起をみる手段として注目されている。ところが、この反応の微分断面積は0度でピークとなる
一方で、この反応が純粋なIS0演算子による励起と解釈すると、0度の断面積はほぼ0となるという矛盾が知られている。本研究では、微視的チャネル結合法に基づく分析によって、
この“矛盾”に対する理解を与えた。
3. 核子ノックアウト反応を用いたクラスター状態の分析法の提案（緒方・千葉）
9
Be原子核のαクラスター構造を検証する手段として、9Beから1つの中性子をノックアウトする方法を提案した。9Be中の中性子の分布はαクラスター構造を反映しており、反対称化分子動力学およびTHSR模型で計算した分布には有意の違いがみられる。本研究では、この差が中性子ノックアウト反応の断面積によって峻別できる可能性を示した。
4. 連続状態離散化チャネル結合法を用いた分解反応の分析（緒方）中間エネルギーにおける弱結合系の分解反応において、多段階過程や核力分解がどのような役割を果たすかを系統的に分析した。また、hot CNOサイクルと呼ばれる元素合成のトリガーとなる9C生成反応の理解に向けて、9Cを3体模型で記述し、その分解反応の分析を行った。さらに、共鳴状態が関与する分解反応において、非共鳴の連続状態の寄与がどの程度存在するかを分析した。
5. ハドロン相関関数の研究（緒方）LHCにおける高エネルギー粒子衝突実験で、様々なハドロン同士の相関関数が測定されている。近年、急速に測定が進んでいる3粒子系の相関関数の研究に向けて、重陽子(陽子・中性子の弱結合系)とΞ粒子の相関関数の分析を行った。計算には、HAL QCDで決定された核子-Ξ間相互作用をインプットとする連続状態離散化チャネル結合法を用いた。
分析の結果、重陽子とΞの相関関数に対する重陽子の分解効果は7%程度であることが明らかになった。
6. 3α換算幅振幅を用いた12Cの構造解析（山本）12
Cのホイル状態は単一のTHSR波動関数で記述できることからα凝縮と考えられている。しかし、αが核子によって構成されているため、核子間の反対称化によって相関が生じるので3つのαクラスターがどのように運動しているかは不明瞭である。そこで、本研
究では固有状態から相対波動関数を抽出することでホイル状態における反対称化後の3α相関を明らかにした。

76

教育・研究業績
学術論文
1. J. Singh, T. Matsumoto, and K. Ogata, “Systematic study on the role of various higher-orderprocesses in the breakup of weakly-bound projectiles”, Progress of Theoretical and Experimental
Physics 2021, 073D01 (2021).
2. Z. Elekes et al., “First spectroscopic study of 63V at the N=40 island of inversion”, PhysicalReview C 103, 064308 (2021).
3. K. Ogata, T. Fukui, Y. Kamiya, and A. Ohnishi, “Effect of deuteron breakup on the deuteron-Xi
correlation function”, Physical Review C 103, 065205 (2021).
4. N. T. T. Phuc, M. Lyu, Y. Chiba, and K. Ogata, “Manifestation of the divergence between
antisymmetrized-molecular-dynamics and container pictures of 9Be via 9Be(p,pn)8Be knockout
reaction”, Physics Letters B 819, 136466 (2021).
5. K. Ogata, Y. Chiba, and Y. Sakuragi, “Correspondence between α inelastic cross sections off
24Mg and isoscalar monopole strengths”, Progress of Theoretical and Experimental Physics 2021,
103D01 (2021).
6. J. Singh, T. Matsumoto, T. Fukui, and K. Ogata, “Three-body description of 9C: Role of
low-lying resonances in breakup reactions”, Physical Review C 104, 034612 (2021).
7. S. Ogawa, T. Matsumoto, Y. Kanada-En'yo, and K. Ogata, “Investigation of multi-step effects for
proton inelastic scattering to the 2+_1 state in 6He”, Physical Review C 104, 044608 (2021).
8. B. D. Linh et al., “Investigation of the ground-state spin inversion in the neutron-rich 47,49Cl
isotopes”, Physical Review C 104, 044331 (2021).
9. N. T. T. Phuc, K. Ogata, N. H. Phuc, B. D. Linh, V. H. Hai, and L. X. Chung, “Ambiguities from
nuclear interactions in the 12C(p,2p)11B reaction”, Communications in Physics 32, 117 (2022).
10. K. Yoshida, M. C. Atkinson, K. Ogata, W. H. Dickhoff, “First application of the dispersive
optical model to (p,2p) reaction analysis within the distorted-wave impulse approximation
framework”, Physical Review C 105, 014622 (2022).
11. Y. Kamiya, K. Sasaki, T. Fukui, T. Hyodo, K. Morita, K. Ogata, A. Ohnishi, and T. Hatsuda,“Femtoscopic study of coupled-channels N Xi and Lambda Lambda interactions”, PhysicalReview C 105, 014915 (2022).
12. T. Koiwai et al., “A First Glimpse at the Shell Structure beyond 54Ca: Spectroscopy of 55K,
55Ca, and 57Ca”, Physics Letters B 827, 136953 (2022).
13. K. Hagino, K. Ogata, and A. M. Moro, “Coupled-channels calculations for nuclear reactions:from exotic nuclei to superheavy elements”, Progress in Particle and Nuclear Physics 125,
103951 (2022).
国際会議講演1. K. Ogata: “Spatial decoherence in multistep direct reactions”, REIMEI Workshop on “Openquantum mechanics in nuclear, hadron and condensed-matter systems”, Nuclear Science
Research Institute, Japan Atomic Energy Agency, February 28-March 4, 2022. (invited)
学会・研究会講演
1. 緒方 一介: 「ノックアウト反応の正確な描述に基づく核内重陽子・ダイニュートロンク
ラスターの実証」, 第6回クラスター階層領域研究会, 2021年6月14日, 19日(オンライン).
2. 緒方 一介: 「1次元モデルを用いた多段階直接過程の空間的デコヒーレンスの分析2」, 日
本物理学会 2021年秋季大会, 2021年9月14日-17日(オンライン).
3. 緒方 一介: 「インパルス描像に基づく中間エネルギー核子移行反応の記述」, 日本物理学会 2021年秋季大会, 2021年9月14日-17日(オンライン).
4. 緒方 一介: 「重陽子-Ξ相関関数に対する重陽子分解効果」, 日本物理学会 2021年秋季

77

5.
6.

大会, 2021年9月14日-17日(オンライン).
緒方 一介: 「クラスターノックアウト反応データの解読法」, おのころプロジェクト キ
ックオフミーティング, 2021年11月18日-20日, 淡路夢舞台国際会議場.
緒方 一介: 「重陽子-Ξ相関関数に対する重陽子分解効果」, 基研研究会「核力に基づいた原子核の構造と反応」, 2021年12月7日-10日, 京都大学基礎物理学研究所(ハイブリッ
ド).

78