2-7 物質の多様な形態と基本的相互作用の研究●代表者

鈴木俊夫（物理学科・教授）●分担者

水野伸夫（物理学科・教授）
千葉剛（物理学科・教授）【研究の目的および概要】
自然を構成している物質，すなわち原子核，原子または元素，およびブラックホール等の天体を含んだ物質の多様な存在形態とその性質，特に高密度，高温等の極限状態，存在極限に近いエキゾチックな物質の性質，物質間・粒子間相互作用，物質と空間，物質と光との相互作用の特徴を明らかにすることが本研究課題の目的である。
物質は多様な状況に応じて種々多様な存在形態をとることができる。特に通常の原子・分子・原子核などの形態とは異なるエキゾティックな状態，例えば，（1）中性子過剰，陽子過剰なエキゾチックな存在極限に近い不安定原子核，（2）原子が原子核と電子に分離した状態である高温のプラズマ状態，（3）高密度，大質量の，強い重力に支配される天体であるブラックホール，のように種々の形態をとることが可能である。このようなエキゾティック状態は，最近の実験・観測技術の発展によって精密な研究が可能になってきた。このような存在極限に近い核物質の性質と形態，特に高密度，高温の天体中での状態の性質と核子間，物質間の相互作用が果たす役割を明らかにすることが本研究課題の目的の一つである。また，高温状態で多く見られるプラズマ状態の性質と電磁相互作用の役割の解明も本研究課題の一つの中心である。さらに，高密度極限状態の天体であるブラックホールとその近傍の時空の性質，光との相互作用の特徴を明らかにすること，空間のゆがみと重力波の発生，検出の研究も重要な研究課題の一つである。極限状態では，通常は顕に現れない基本的相互作用の特徴を研究できることが期待される。
研究代表者（鈴木）が，核物質のエキゾティックな状態を核力の性質を基礎にして研究するとともに，不安定原子核が星の進化の過程および超新星爆発時での元素合成のメカニズムに果たす役割の解明を担当する。高密度，高温の天体環境のもとでの核物質の性質と弱相互作用によるベータ遷移，電子捕獲反応の研究を行い，星の進化の過程における役割と超新星爆発時や中性子星合体時での重元素合成に及ぼす影響を研究する。
研究分担者（水野）はプラズマの形態と電磁相互作用に関する物理学の研究を担当する。また，研究分担者（千葉）はブラックホール近傍での空間の性質とブラックホールと光との相互作用の研究を行うとともに，重力波の発生と検出，宇宙初期のインフレーションとの関係についての研究を宇宙論の立場から行う。
研究の過程において，当該分野に関係する専門家の研究や専門図書も参考にしながら（図書費），数値計算を行うことによって，研究目的の達成を目指す。研究会に積極的に参加，発表を行うことによって（国内旅費，登録料）研究の進展を促す。得られた成果は国際会議や国内の学会等で発表し（会議登録料），広く研究者に知らしめるよう努める。また，成果を論文として発表する。
【研究の結果】（1）N=Z（中性子数＝陽子数）の sd 殻核の偶−偶核のスピン磁気双極子遷移と中性子−陽子・スピン - スピン相関の研究を行った。アイソスカラー型のスピン 1 に組むペアリング相関が，スピン磁気双極子遷移，特にアイソベクトル型の遷移に大きなクェンチング効果を及ぼすことを見出した。特に，アイソスカラー型とアイソベクトル型のスピン磁気双極子遷移の和則値の差が，アイソスカラー型ペアリング相関によって著しい影響を受け，最近の観測を説明できる方向に変化することを示した。
（2）拡張された Kuo-Krenciglowa (EKK) 法を sd 殻と pf 殻の軌道準位の順番が入れ替わるいわゆる逆転の島（islandof inversion）の領域に応用し，QCD に基づいた微視的な相互作用から核内有効相互作用を得た。この有効相互作用とΔ 33 粒子を交換を伴う藤田 - 宮沢型の三体力を用いてマグネシウム，ネオン同位体の基底状態のエネル

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ギー，エネルギー準位，E2（電気 4 重極）遷移率等を求め，観測値との良い再現性と従来より大きな sd-pf 殻間の混合を見出した。
（3）超新星爆発のコア崩壊時に重要な寄与をすると考えられる，中性子数 50 の中性子過剰核 78Ni の天体条件下での電子捕獲率を RPA（乱雑位相近似）および pf-g9/2d5/2 配位での殻模型によって評価した。RPA の捕獲率は Sullivan
等による捕獲率の近似式の結果によく一致したが，殻模型の結果は配位が十分でないことを示した。完全なpf-gds 配位空間への拡張が必要である。
（4）fp- 殻核の新しいハミルトニアン GXPF1J にる高密度・高温の天体条件下での電子捕獲率，ベータ崩壊率を用い，Ia 型超新星爆発による Fe 領域の中性子過剰核の元素合成を調べた。遅い爆燃とその後の爆発的燃焼を伴う
天体モデルを用いて，中性子過剰核が太陽系近傍の合成率に比べ過剰生産されるという，従来の精度の低いFFN（Fuller-Fowler-Newman）の電子捕獲率，ベータ崩壊率を用いた理論計算の評価が著しく改良されることを示した。
（5）低エネルギー散乱から決まる中性子 - 中性子間核力を用いて，中性子過剰核のエグゾティックな状態，すなわち，2 中性子ハローの生成を。24O，22C 核において理論的に導き出すことに成功したが，今回は，特に 2 中性子分離エネルギーとハローの半径の間の関係を導き，相関がある 20C- コアを用いて，ハローの半径が 6 − 7fm に抑えられることを示した。これは，最近の実験を見事に再現する。また，20C- コアの相関と 22C の励起状態のエネルギー準位の関係を調べ，2 ＋状態のエネルギーの位置がコアの相関と密接に関連していることを示した。一方，ここで用いた中性子 - 中性子間核力は核内有効相互作用に比べ引力が強い。この差は三体力に起因する斥力の効果によって説明できる。
（6）ニュートリノ振動の未知のパラメータ，すなわち質量階層と CP 位相を決める有効な方法について研究を行った。中・長距離（20-100km）での原子炉ニュートリノの振動の位相を調べたところ，反電子ニュートリノの生存確率の振動の位相が質量階層によって著しく異なること，反 μ，τ ニュートリノの生成確率の振動の位相がCP 位相に大きく依存することを見出した。また，地球を通過する μ ニュートリノの物質による MSW 共鳴振動効果を調べ，地球の出口でのμニュートリノの生存確率，e，τ ニュートリノの生成確率が質量階層の違いによって大きく異なることを見出した。
（7）Planck 衛星による CMB の観測データを解析することにより，WMAP 衛星による観測データを用いた以前の制限（5％以下）より一桁小さい強い制限（0.55％以下）が得られた。また，この制限は宇宙の空間曲率を導入してもほとんど変わらないことも明らかになった。これは，Planck 衛星の観測で初めて明らかになった小角度スケールでの温度揺らぎの散逸効果によるものである。小スケールでは光子は電子と散乱を繰り返して揺らぎを消滅させてしまう。このスケールと温度揺らぎのパターンのスケールでは重力定数の依存性が異なるので，曲率の効果との縮退が解けるのである。
（8）複合材を用いたダイバータ板の表面にプラズマが入射したときの表面の温度変化と内部の温度分布を調べた。
ダイバータはタングステン，無酸素銅，CuCrZr の 3 種類の物質からなるものとし，それぞれの物質の熱伝導率，密度，比熱の温度依存性を考慮した熱伝導方程式を用いて計算を行った。そして，表面温度の時間変化や定常状態での内部の温度分布，その入射エネルギーやダイバータ板の厚さ等の依存性を明らかにした。
【研究の考察・反省】（1）原子核からの電子捕獲率等の精密な評価の天体現象への応用において，pf殻核の領域で重要な発展が得られた。
二つ以上の主殻にわたる核領域を含む，より系統的な研究に発展させたい。
（2）今後はより広いクラスの重力理論についても重力定数の変化に対する制限を与えたい。

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（3）入射エネルギーやダイバータ板の厚さと表面温度の関係は，直線に近い依存性を持つことがわかった。また，タングステン単体の場合の計算との比較から，複合材を用いることよりダイバータの温度が低くなることがわかった。熱伝導率の温度依存性の影響は，温度分布の形は大きな違いは無いが，熱伝導率の値の取り方によっては表面温度の値に違いがでるので温度依存性は無視できないことを確認した。なお，実験結果との比較では温度上昇の様子や表面温度の値に違いが見られた。今後はこの原因を調べる必要がある。
【研究発表】
鈴木俊夫
1. “Electron-capture rates for pf-shell nuclei in stellar environments and nucleosynthesis”, 14th Int. Symp. on Nuclei in
the Cosmos (NIC2016), Niigata, June 19-24 (2016).
2. “Beta-decay rates for exotic nuclei and r-process nucleosynthesis up to Th and U”, 14th Int. Symp. on Nuclei in theCosmos (NIC2016), Niigata, June 19-24 (2016).
3. “Electron-capture and beta-decay rates for sd-shell nuclei in stellar environments”, 14th Int. Symp. on Nuclei in theCosmos (NIC2016), Niigata, June 19-24 (2016).
4. “Two-neutron halo in light drip-line nuclei from the low-energy limit of neutron-neutron interaction”, The 9th
Conference on Direct Reactions with Exotic Beams (DREB2016), Halifax, Canada, July 10-15, 2016.
5. “Electron-capture rates at stellar environments and nucleosynthesis”, The Nuclear Structure 2016 Conference,Knoxville, Tennessee, USA, July 24-29, 2016.
6. “Neutrino-nucleus reaction cross sections for neutrino detection and nucleosynthesis in supernova explosions”,
Neutrinos in Nuclear Physics Workshop, Knoxville, Tennessee, USA, July 29-31, 2016.
7. “Formation of two-neutron halo in drip-line nuclei from the low energy neutron-neutron interaction”, International
Nuclear Physics Conference (INPC2016), Adelaide, Australia, Sept. 11-16, 2016.
8. “Neutrino-nucleus cross sections for neutrino detection and nucleosynthesis in supernova explosions”, invited talk at
International Nuclear Physics Conference (INPC2016), Adelaide, Australia, Sept. 11-16, 2016.
9. “Electron-capture rates of nuclei at stellar environments and nucleosynthesis”, International Nuclear Physics
Conference (INPC2016), Adelaide, Australia, Sept. 11-16, 2016.
10. “The role of nuclear physics on the final evolution of degenerate cores”, invited talk at The AGB-Supernovae Mass
Transition Conference, Frascati, Rome, Italy, March 27-31, 2017.
千葉剛

1. “CMB constraints on varying G”, invited talk at the 3rd Korea-Japan workshop on Dark Energy (KASI, Daejeon, SouthKorea, April 5, 2016).
水野伸夫
1.「複合材を用いたダイバータ板内部の温度分布に関する研究」「タングステンを用いたダイバータ板表面の温度変化に関する研究」
第 11 回核融合エネルギー連合講演会（2016 年 7 月 15 日，九州大学伊都キャンパス椎木講堂）

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【研究成果物】
1. N. Nishimura, Z. Podolyak, Dong-Liang Fang and T. Suzuki, “Impact of the first-forbidden beta decay on theproduction of A 〜 195 r-process peak”, Physics Letters B756, 273-277 (2016).
2. H. Sagawa, T. Suzuki and M. Sasano, “Effect of isoscalar spin-triplet pairings on spin-isospin responses in sd-shellnuclei”, Physical Review C 94, 041303(R)/1-6 (2016).
3. K. Mori, M. Famiano, T. Kajino, T. Suzuki et al., “Impact of new Gamow-Teller strengths on explosive type Ia
supernova nucleosynthesis”, The Astrophysical Journal 833, 179/1-12 (2016).
4. N. Tsunoda, T. Otsuka, N. Shimizu, M. Hjorth-Jensen, K. Takayanagi and T. Suzuki, “Exotic neutron-rich mediummass nuclei with realistic nuclear forces”, Physical Review C 95, 021304 (R)/1-6 (2017).
5. T. Suzuki, M. Honma, K. Mori, M. Famiano, T. Kajino, J. Hidaka and T. Otsuka, “Electron-capture rates for pf-shell
nuclei in stellar environments and nucleosynthesis”, JPS Conf. Proc. 14, 010407/1-4 (2017).
6. T. Suzuki, H. Toki and K. Nomoto, “Electron-capture and beta-decay rates for sd-shell nuclei in stellar environments”,
JPS Conf. Proc. 14, 020402/1-3 (2017).
7. T. Suzuki, T. Yoshida, S. Shibagaki, T. Kajino and T. Otsuka, “Beta-decay rates for exotic nuclei and r-process
nucleosynthesis up to Th and U”, JPS Conf. Proc. 14, 020606/1-3 (2017).
8. M. Mito and T. Suzuki, “Neutrino oscillations in the earth and neutrino-mass hierarchy”, Proceedings of the Instituteof Natural Sciences, Nihon University, vol. 52 (2017).
9. Y. Ogata and T. Suzuki, “Dependence of reactor neutrino oscillations on neutrino-mass hierarchy and CP-phase”,
Proceedings of the Institute of Natural Sciences, Nihon University, vol. 52 (2017).
10. Junpei Ooba, Kiyotomo Ichiki, Takeshi Chiba, Naoshi Sugiyama, Planck Constraints on Scalar-Tensor Cosmology andthe Variation of the Gravitational Constant, Phys. Rev. D93, 122002 (2016).
11. Takeshi Chiba and Masashi Kimura, A Note on Geodecis in Hayward Metric, to appear in Prog.Theor.Exp.Phys.
12. N. Mizuno et al.,「トカマク型核融合装置における複合材を用いたダイバータ板の温度分布」日本大学文理学部
自然科学研究所「研究紀要」第 52 号（2017 年 2 月）

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