2-6 物質の多様な存在形態と起源についての研究●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，および光と相互作用しない物質の多様な存在形態と創生のメカニズムを明らかにすることが本研究課題の目的である。
物質は状況に応じて種々多様な存在形態をとることができる。例えば，同じ元素でも，（1）原子核，（2）原子核と電子が束縛された原子の状態，（3）原子が原子核と電子に分離した状態であるプラズマ状態，のように異なった形態をとることが可能である。最近，これまで考えられていた通常の安定な原子核のほかに，中性子過剰なエグゾチックな原子核が多数作られるようになった。このような核物質の形態の性質とその特徴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，自然界の中で比較的多く見られるプラズマ状態の性質の解明も本研究課題の一つの中心である。そのほかに，通常の物質の範疇に入らない光と相互作用しない未知の粒子であるダークマター，ダークエネルギーの存在形態の物理的解明も本研究課題の重要なテーマである。
また，物質の創生については，（1）宇宙初期における宇宙の創生に続く素粒子と軽元素の合成，（2）宇宙が進化した後に生成される星が進化する過程での，核融合反応による鉄までの元素合成，（3）星の進化の終末に起こる超新星爆発の過程での，ウランまでの金，プラチナなどのレアメタルを含む重元素の合成，（4）宇宙の物質の大部分を占めるダークマター，ダークエネルギーの創成，などのメカニズムの解明が主な研究内容である。ダークマター，ダークエネルギーの存在形態はその創生メカニズムと密接な関係があるので，両方の研究を共に進める必要がある。
研究代表者（鈴木）が，核物質の新しい形態を研究するとともに，星の進化の過程および終末における元素の合成のメカニズムの解明を担当する。研究分担者（水野）はプラズマの形態に関する物理学の研究を担当し，研究分担者（千葉）はダークマター，ダークエネルギーの創生と形態についての研究を宇宙論の立場から行う。
【研究の結果】（1）原子核における核力のテンソル力，3 体力成分が核構造，スピン依存遷移に及ぼす働きと重要性を明らかにした。
テンソル力の重要な効果を取り入れた新しいハミルトニアンを構築し，それを用いて p-sd 殻核，sd-pf 殻核の構造とスピン応答を研究した。その結果，① p-sd 殻核の構造と遷移，特にスピン応答を良く記述できることを明らかにした；② sd-pf 殻核，特に 40Ar のガモフ・テラー（GT）遷移分布の実験値を良く再現できた。
この GT 遷移強度を用いて，ニュートリノ -40Ar 反応の新しい断面積を求めた。
fp 殻核における 3 体力核力の効果を調べ，カルシウム同位体のエネルギー，2+ 状態の励起エネルギー，48Caの M1 遷移における 3 体力の重要性を明らかにした。
（2）高密度，高温度の天体条件下での電子捕獲反応の系統的な研究を行った。
fp 殻核の新しいハミルトニアン，GXPF1J，を用いて fp 殻核の GT 遷移と高密度，高温の天体条件下での電子捕獲反応の系統的な研究を行った。特に 56Ni の GT 遷移分布の理論値が実験値を良く再現することがわかった。電子捕獲率の精密な評価が可能になった。超新星爆発時の元素合成に及ぼす重要性，影響を調べている。
（3）不安定核のベータ崩壊の半減期の評価と，r −過程元素合成過程へ及ぼす影響について調べた。
質量数 70‐100 領域の不安定核のベータ崩壊の従来の理論の評価より短い半減期が，r −過程による元素合24

成過程へ及ぼす影響について調べた。R- 過程元素合成の第二と第三の山の間隙を多少埋める働きがあるが，観測値を再現するほど効果は大きくはなかった。
（4）多体のブラックホールの静的厳密解である Majumdar-Papapetrou 解と動的厳密解である Kastor-Traschen 解を用いて，ブラックホール回りの光の伝播の振る舞いを測地線方程式を解くことにより解析し，多体ブラックホールの影の形状を求めた。ブラックホールの影は単なる単体の重ね合わせだけではなく，影の周りに「眉毛」のような形状をした構造が表れることを見出した。また本体の影の形状も間隔が近づくとともに非常にゆがんだものになった。これらの振る舞いを定性的に理解するために，間隔が大きい極限で測地線方程式を解析的に求めた。その結果，眉毛の幅はブラックホールの間隔に反比例することを見出した。また，影の変形は間隔と質量によることが分かった。
（5）電熱加速型パルスプラズマ推進機において，モデル式と実験結果から推進性能を調べ，ノズル内径と比推力，推進効率との関係を求めた。まず，ストレートノズルの場合を調べ，最大 13.5％の推進効率が得られ内径への依存度はあまり大きくないことがわかった。次に，ダイバージェントノズルの場合を調べ，ストレートノズルのよりも大きい最大推進効率を得られることを示した。
【研究の考察・反省】（1）電子捕獲率の精密な評価が超新星爆発時の元素合成に及ぼす影響を調べている。より系統的な研究を行うことが，元素の現在の存在比を理解するために重要である。
また，今後，不安定核のベータ崩壊の半減期の研究を種々の核に拡張して行う予定である。
（2）今後は，ブラックホール周りの降着円盤による放射の効果も取り入れた計算を行いたい。また，ブラックホールの回転の効果も取り入れた計算も行いたい。
【研究発表】
鈴木俊夫
Roles of tensor and three-body forces on shell evolutions and spin degrees-of-freedom in nuclei, The Extreme MatterPhysics of Nuclei: From Universal Properties to Neutron-Rich Extremes, Darmstadt, May 3, 2012.
Nuclear Weak Proceeses in Stars, CompStar: the physics and astrophysics of compact stars, Tahiti, June 14, 2012.
Spin-dependent modes in nuclei and nuclear forces, The 2nd Nuclear Physics Conference on Nuclear Structure andDynamics, Opatija, Croatia, July 13, 2012.
Spin structure of nuclei and nuclear weak processes in stars, The 2nd Dogye Workshop on Nuclear Astrophysics, Dogye,Korea, Aug. 2, 2012.
Beta-decays of isotones with N=126 and nearby and r-process nucleosynthesis, NIC XII Satellite workshop on r-process
nucleosynthesis, Cairns, Aug. 4, 2012.
Electron capture reactions and beta-decays in astrophysical processes, XII International Symposium on Nuclei in theCosmos（NIC XII）, Cairns, Aug. 9, 2012.
Nuclear structure, weak-induced reactions and nucleosynthesis, 1st Visiting NAOJ Fellow Workshop on "Element Genesis
and Cosmic Chemical Evolutions: r-process perspective", NAO-RIKEN, Oct. 17, 2012.
Neutrino nucleus reactions based on recent structure studies, The 8th International Workshop on Neutrino-Nucleus
Interactions in the Few-Gev Region, Rio de Janeiro, Oct. 23, 2012.
Nuclear Structure and Nuclear Astrophysical Processes, Symposium Italy-Japan 2012 on Nuclear Physics, Milan, Nov. 20,25

2012.
千葉剛"Shadows of multi black holes", invited talk at Japan/Thai workshop in cosmology（Pattaya, Thailand, December 25, 2012）「膨張する宇宙」, 日本大学文理学部夏季オープンキャンパス理系講演会（2012 年 7 月 15 日）.
「加速膨張する宇宙」, 日本大学理工学部物理学科軽井沢オリエンテーション講演会

招待講演 , 日本大学軽井沢研修所（2012 年 5 月 23 日）.
ニュートン 2012 年 10 月号 特集「ダークエネルギー」（取材協力）.
水野伸夫「Application of the FTDT Analysis to Fireboll Plasmoid Generation due to Microwave」
11th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology and 25th Symposium on Plasma Science for Materials
2012 年 10 月 2 日，京都大学

桂キャンパスローム記念館【研究成果物】
N. Nishimura, T. Kajino, G. J. Mathews, S. Nishimura, T. Suzuki, “Impact of new beta-decay half-lives on r-processnucleosynthesis”, Physical Review C 85, 048801/1-4 (2012).
C. Yuan, T. Suzuki, T. Otsuka, F. Xu, N. Tsunoda, “Shell-model study of boron, carbon, nitrogen, and oxygen isotopes withmonopole-based universal interaction” , Physical Review C 85, 064324/1-12 (2012).
T. Suzuki, A. B. Balantekin, T. Kajino, “Neutrino capture on 13C”, Physical Review C 86, 015502/1-5 8 ( 2012).
J.D. Holt, T. Otsuka, A. Schwenck, T. Suzuki, “Three-body forces and structure in calcium isotopes”, Journal of Physics G
39, 085111/1-7 (2012).
M. Sasano,…, T. Suzuki et al., “Excitation of Gamow-Teller distributions from 56Ni and 55Co via（p, n）reaction ininverse kinematics”, Physical Review C 86, 034324/1-13 (2012).
T. Suzuki, M. Honma, T. Otsuka, T. Kajino, “Gamow-Teller Strengths in Ni Isotopes and Nuclear Weak Processes”,
Progress of Thepretical Physics, supplement 196, 382-387 (2012).
T. Suzuki, T. Otsuka, M. Honma, “Spin-dependent modes in nuclei and nuclear forces”, AIP Conf. Proc. 1491, 21-24（2012）.
T. Suzuki and M. Honma, “Neutrino capture reactions on 40Ar”, Physical Review C 87, 014607/1-4 (2013).
Akifumi Yumoto, Daisuke Nitta, Takeshi Chiba, Naoshi Sugiyama, Shadows of Multi-Black Holes: Analytic Exploration,Phys. Rev. D86, 103001（2012）26