2-6 物質の極限状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，存在極限に近いエグ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グゾチックな状態，例えば，（1）中性子過剰，陽子過剰なエグ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。このようなエグゾチック状態は，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，核物質のエグゾチ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，エグゾチックな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）sd 殻核において USDB 相互作用を用いて，高密度，高温条件のもとでの電子捕獲率，陽電子捕獲率，ベータ崩壊率，ニュートリノによるエネルギー損失率等を求めた。これらの計算データを核 URCA 過程に応用し，太陽質量の 8-10 倍の質量をもつ星の O-Ne-Mg コアのクーリングと星の終末の運命−電子捕獲超新星爆発を起こすか鉄コア崩壊型超新星爆発を起こすか−の決定にこれらの精密な核データが果たす重要な役割を明らかにした。
（2）fp- 殻核の新しいハミルトニアン GXPF1J を用いて，高密度・高温の天体条件下での電子捕獲率，ベータ崩壊率の精密な評価を行い，従来の KB3G, KBF ハミルト二アンによる評価と有意な差があることを示した。これらの核データを Ia 型超新星爆発による元素合成に応用し Fe 領域の中性子過剰核の生成率を調べた。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これまでの比較的簡単な理論計算の評価が著しく改良されるこ20

とを示した。
（3）11Li のソフトダイポールモードが低エネルギー励起状態で実現されることを殻模型計算をもとに明らかにした。
アイソスカラー型のダイポールモードが殻模型計算による励起エネルギー近くに存在する実験的証拠が得られた。
（4）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理論的に導き出すことに成功した。24O，22C 核において，22O，20C コアに 1 中性子を加えただけでは束縛しないが，2 中性子を加えたハロー状態は中性子 - 中性子間の引力のため束縛することをみごとに説明することができた。
（5）中性子数 N=126 のアイソトーンのベータ崩壊の寿命を殻模型計算によって陽子数 Z=78 核まで評価し，ｒ−過程による元素合成に適用した。この新しい寿命をもとにした天体計算を行うと，コア崩壊型超新星爆発で Th，U核の合成が促進されることを示した。中性子合体の天体過程におけるｒ−過程では，Th，U の合成への N=126 核の寿命の違いによる影響は小さかった。
（6）Planck 衛星による宇宙背景放射の揺らぎの解析から示唆される密度揺らぎのスペクトル指数を再現するインフレーションモデルの完全な分類を行った。その結果，可能なポテンシャル形は，べき乗，対数関数，対称性の破れモデル，スタロビンスキーモデルに大きく分類できることが分かった。さらに将来の原始重力波の観測によりモデルの峻別ができることを指摘した。また，宇宙の再加熱温度とモデルパラメターの依存性についても解析を行った。
（7）核融合装置におけるダイバータ板表面にプラズマが入射するときの温度特性を熱伝導方程式から調べた。ここで，ダイバータ板材料の熱伝導率の温度依存性を考慮したモデル式を作り，数値計算によりダイバータ板内部の温度分布や表面温度の時間変化を求めた。
【研究の考察・反省】（1）原子核からの電子捕獲率等の評価の天体現象への応用において，幾つかの重要な発展が得られた。よりシステマチックな研究に発展させたい。
（2）今後は，再加熱温度の宇宙の状態方程式依存性を詳細に解析したい。さらに，重力との相互作用を一般化したモデルでも解析を行いたい。
（3）ダイバータ板の熱伝導率の温度依存性を考慮したモデル式を構築することができ，それから温度依存性の影響を示すことができた。しかし，実験値との比較で表面温度の値に違いが生じた。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. “Nuclear weak rates at stellar environments and astrophysical applications”, International Collaboration in Nuclear
Theory: Theory for open-shell nuclei near the limits of stability, Michigan State University, U.S.A., May 25-29, 2015.
2. “Spin responses in nuclear weak processes and nucleosynthesis”, Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics (NDM2015), Jyvaskyla, Finland, June 1-5, 2015.
3. “Nuclear weak rates for astrophysical applications”, Numazu Workshop 2015: Challenges of modeling supernovae withnuclear data, Mishima Japan, Sept. 1-4, 2015.
4. “Shell-model study of nuclear weak rates and astrophysical applications”, Computational Advances in Nuclear and21

Hadron Physics (CANHP 2015) , YITP, Kyoto, Sept. 29-Oct. 2, 2015.
5. “Electron capture rates at stellar environments and astrophysical applications”, Electron-capture Supernovae andsuper-AGB Star Workshop, Monash University, Melbourne, Australia, Feb. 1-5, 2016.
6. “Nuclear weak rates at stellar environments: nucleosyntheisis and evolution of stars”, Russbach School on Nuclear
Astrophysics, Russbach, Austria, March 6-12, 2016.
千葉剛

1. “Constancy of the constants of nature”, invited talk at Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2015) (Riken,November 30).
2. “Reconstructing the Inflaton Potential from the Spectral Index”, invited talk at the 2nd APCTP-TUS workshop on Dark
Energy (Tokyo University of Science, August 4, 2015).
3. “Reconstructing the Inflaton Potential from the Spectral Index”, talk at the 14th Marcel Grossmann Meeting on General
Relativity (Rome, July 14, 2015).
水野伸夫
1.「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に関する研究」，研究会

第 21 回八戸科学技術フォーラム，（2015 年 12 月 23 日，八戸市福祉公民館）
2.「核融合装置における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」，研究会

第 21 回八戸

科学技術フォーラム，（2015 年 12 月 23 日，八戸市福祉公民館）【研究成果物】
1. .K. Whitmore, D. Smalley, H. Iwasaki, T. Suzuki, ... et al., Magnetic response of the halo nucleus 19C studied via
lifetime measurement, Phys. Rev. C 91, 041303 (R)/1-5 (2015).
2. R. Kanungo, ..., T. Suzuki, ... et al., Evidence of Soft Dipole Resonance in 11Li with Isoscalar Character, Phys. Rev. Lett.
114, 192502/1-5 (2015)
3. .T. Suzuki, M. Honma, T. Otsuka and T. Kajino, Electron-Capture Rates for Exotic Nuclei at Stellar Environmen, JPS
Conference Proceedings,6, 020029/1-6 (2015).
4. .T. Suzuki, T. Yoshida, S. Wanajo, T. Kajino and T. Otsuka, Beta-Decay Rates for Exotic Nuclei and R-Process
Nucleosynthesis, JPS Conference Proceedings 6, 030063/1-4 (2015).
5. T. Suzuki, H. Toki and K. Nomoto, Electron-capture and beta-decay rates for sd-shell nuclei in stellar environments
relevant to high-density O-Ne-Mg cores, The Astrophysical Journal 817, 163/1-9 (2016).
6. T. Suzuki, T. Otsuka, C. Yuan and A. Navin, Two-neutron “halo” from the low-energy limit of neutron-neutroninteraction: Applications to drip-line nuclei 22C and 24O, Phys. Lett. B753, 199-203 (2016).
7. Takeshi Chiba, Reconstructing the Inflaton Potential from the Spectral Index, Prog.Theor.Exp.Phys., 2015, 073E02(2015).
8. T. Chiba, ニュートン別冊，「宇宙の 7 大テーマ」( 編集協力 ) （2015 年 10 月）
ニュートン別冊，「無と有の物理学」( 編集協力 ) （2015 年 9 月）
9. N. Mizuno 他 ,「トカマク型核融合装置におけるダイバータ板表面の温度変化」
日本大学文理学部自然科学研究所「研究紀要」第 51 号（2016 年 2 月）

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