2023年度

京都大学大学院理学研究科

修士課程

修士論文アブストラクト（2024年2月5日、2月6日）

物

理 学 第 二 分 野

物理学第二分野 修士論文発表会ご案内
下記の通り、修士論文発表会を開催します。
日時：2024年2月5日（月）6日（火）場所：理学研究科5号館 525号室
発表時間：15分＋5分（質問）発表の順番、研究題目は下記のとおりです。

2月5日（月）1.

カーチ・ランドールブレーンのホログラフィックコンプレキ
シティへの寄与石井 孝典 （９：００）2.

恒星フレアの多波長観測による大規模プラズマ噴出の発
見

井上

3.

高速パルス磁場を用いた Fe核スピン操作の放射光核共鳴散乱による測定

太田 英寿 （９：４０）

4.

水-ニュートリノ反応の精密測定に向けた水ベース液体シンチレータ飛跡検出器の開発

恩田 直人 （１０：００）

57

《

休

憩

峻

（９：２０）》

5.

von Neumann代数を用いた無限次元量子誤り訂正としてのバルク再構成

神田 大樹 （１０：３０）6.

平坦背景におけるメタ弦の量子化

京

鴻一（１０：５０）7.

スカラー・テンソル理論におけるブラックホール摂動の有効場の理論に基づく解析

小林元（１１：１０）8.

境界上に局在するスカラー場によるAdS/BCFT対応の一般化

佐藤 政秀 （１１：３０）

《

午

後

》

9.

JT重力とアイランド

繁村 知宏 （１３：３０）

10 .

グザイバリオン分光実験に用いるビーム粒子識別用リン
グイメージングチェレンコフ検出器の開発

鈴木 翔太 （１３：５０）

11 .

S-2Sを用いたΞハイパー核分光のためのK中間子識別
手法の開発

高橋 秀治 （１４：１０）

12 .

ダークフォトン探索に向けた広帯域分光計の開発と評価

竹内 広樹 （１４：３０）13 .

場の理論における一般化対称性田中 隆寛 （１４：５０）

《

休

憩

》

14 .

酒井-杉本模型におけるバリオンのエネルギー運動量テンソルおよびD-termの数値解析

塚本 大智 （１５：３０）

15 .

T2K 実験ニュートリノ検出器SuperFGD のための信号読
み出し検査システムの開発と運用

對馬 拓実 （１５：５０）

16 .

An algebraic approach to gravitational entropy

土井 一輝 （１６：１０）

17 .

SU(3)格子ＱＣＤを用いたDimensional Reductionゲージ
におけるＱＣＤの低次元的性質の解析

當銘啓（１６：３０）2月6日（火）18 .

降着型パルサーにおける軟X線超過と低電離鉄輝線の系統的なスペクトル解析

永井悠太郎 （９：００）

19 .

J-PARC E16 実験におけるRAM機能を用いたDAQシス
テムの改良

長房俊之介 （９：２０）

20 .

TA実験およびTALE実験による高エネルギー宇宙線の到来方向大角度異方性探査難波 宏樹 （９：４０）

21 .

反対称化分子動力学法及び陽子拘束を用いた12Be の励起状態の構造研究長谷川 稜 （１０：００）

《

休

憩

》

22 .

ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索に向けた高圧XeガスTPC AXELの電離信号読み出し面の改良疋田 純也 （１０：３０）23 .

重力崩壊型超新星の上限質量制限に向けた超新星残骸 G359.0-0.9 の観測研究

松永

24 .

弦理論によるSpecies Boundの検証

道信 祐吏 （１１：１０）

25 .

宇宙の大規模構造の観測から探る原始密度ゆらぎの統計的非等方性：銀河の固有形状を組み合わせた検出精度向上の可能性

湊恵太（１１：３０）侑（１３：３０）

《

午

後

海

（１０：５０）》26 .

断熱進化によるコンパクトなボゾンスターの形成の可能性

宮内

27 .

超伝導検出器MKIDの薄膜純度向上及び高感度化を目指した製作と性能評価

武藤 優真 （１３：５０）

28 .

ESPRI+実験に向けたGAGG(Ce)カロリメータの波形解析
による粒子識別新手法の開発

矢野 隆之 （１４：１０）

カーチ・ランドールブレーンのホログラフィックコンプレキ
シティへの寄与
素粒子論研究室

石井孝典

Abstract We consider confirming the Complexity=Volume conjecture and the contribution of boundaryin CFT to holographic complexity. We study the asymptotic Anti-de-Sitter spacetime into which the KR
brane is inserted. We derive an equation to be solved for our purpose.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

素粒子理論の重要な課題として量子重力理論の構成がある。その問題を解決するアプローチ方法として AdS/CFT 対応を使った方法がある[1]。AdS/CFT 対応とは d+1 次元の重力理論と重力理論に現れる境界(AdS 境界)上の d 次元の量子論の等価性を主張したものである。AdS/CFT 対応を使用することで量子論から量子重力理論の構成を試みている。しかし現状ではその対応関係から量子重力の構成は難しい。特にブラックホールの理解は非常に難しい問題になっている。そんな中、AdS/CFT 対応の辞書の一つである Complexity=Volume 予想がブラックホールを理解する手掛かりになるとして注目されている。
本修士論文では古典重力と量子論の AdS/CFT 対応におけるコンプレキシティと体積に関する対応関係について議論した。この対応関係を Complexity=Volume(CV)予想[2]という。CV 予想は量子論側の量であるコンプレキシティ C と重力理論側の量である体積 V、ニュートン定数 G と AdS 半径 L を使ってV
C=
GLと記述することができる。コンプレキシティとは量子情報理論で使用される重要な量であり、基準となる状態から考えている状態を基本的な演算子で実現しようとした時の演算子の数をカウントしたもの
で、状態の複雑さを推定する量として知られている。また CV 予想における体積は重力理論の AdS 境界の時間一定面を境界条件として与えた時の余次元 1 の曲面の極大体積として与えられる。CV 予想の重要な特徴として重力側にブラックホールが存在する時、極大体積はブラックホール内部を通ることが知られている。この性質から量子論側からコンプレキシティが与えられれば、ブラックホール内部についての情報を得ることができる。しかし、CV 予想は AdS/CFT 対応の辞書として比較的新しく、発見的な証拠が整っていない状況である。
本修士論文では先行研究[3]で議論されている漸近 AdS ブラックホール時空とその双対な量子状態でのCV 予想に関する研究を行った。本研究のモチベーションとしては次の二つがある。第一に CV 予想の検証である。CV 予想のよく知られた性質として重力理論にブラックホールがある時その極大体積は十分時間が経ったところで時間に比例することが知られている。この性質についてブレーンが挿入されたブラックホール時空について検証を試みた。第二に共形場理論中の境界の寄与について理解することである。
先 行 研 究 [3] か ら 本 研 究 で 考 え て い る 時 空 と 双 対 な 量 子 状 態 は 境 界 を 持 っ た 共 形 場 理 論 上 のThermofield Double 状態であることが分かっている。また、AdS/CFT 対応の拡張として AdS/BCFT 対応がありブレーンと共形場理論の境界の対応はよく知られているので、極大体積が得られれば極大体積へのブレーンから共形場理論の境界からコンプレキシティに与える寄与について理解が得られると考えた。結果、新しい成果として、体積の計算がある種の境界値問題に帰着することを私は示した。今後はこの形式を数値的にでも解き、CV 予想のさらなる検証へと進みたい。
<latexit sha1_base64="E7tFagPzFSCZ1gLiK58lvc/+/Yg=">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</latexit>

References[1] J. M. Maldacena, Adv. Theor. Math. Phys. 2 (1998) 231, Int. J. Theor. Phys. 38 (1999) 1113
[2] D. Stanford and L. Susskind, Phys. Rev. D 90, 126007.
[3] H. Geng, et al., J. High Energ. Phys. 2022, 56 (2022).
[4] T. Ishii et al., in preparation.

恒星フレアの多波長観測による大規模プラズマ噴出の発見
宇宙線研究室井上峻

Abstract Effects of stellar magnetic activity, such as flares and coronal mass ejections (CMEs), on
exoplanets have recently gathered attention. We detected three stellar CME candidates with X-ray andHα observations and confirmed that the flare-CME scaling laws can be applied to 10!" erg classflares, contrary to numerical simulations[1].
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

Counts

2
0

6

6

0
0

6

6

.8

8
0

5

6

6
2

5

6

4
0

5

6

2
0

5

6

6

5

0
0

Normalized Intensityχ(s−1 keV−1)

恒星フレアは星の表面において、磁場として蓄えられたエネルギーが突発的に解放される爆発現象である。エネルギーの解放は、X 線から電波までの幅広い波長帯での放射に加え、コロナ質量放出 (Coronal
Mass Ejection; CME) とよばれる恒星外部へのプラズマ噴出という形でも行われる。恒星フレアと CME
は、系外惑星の大気や恒星進化への影響という観点からも注目されており、その全容の解明が急務である。ところが、空間分解した観測が困難な他の恒星でのフレアでは、まだ不明な点が多い。太陽フレア
は最大級のイベントであってもその解放エネルギーは≤ 10!# erg であるのに対し、恒星の場合は、この10 倍以上のエネルギーを解放する「スーパーフレア」が頻繁に観測されている。恒星で起きるスーパーフレアが、CME を伴うと示唆する観測結果はまだ非常に少なく、その規模、頻度、物理機構を議論するには観測が足りていない現状である。特に、従来の観測では「CME として十分な速度 (≥ 1000 km/s) を持つプラズマ噴出の検出」と「CME を伴うフレアの多波長同時検出」が欠如していた。そもそも、スーパーフレアを起こすような強い磁場を持つ恒星では、CME は磁場からの力により抑制されるため発生しないという計算結果[1]も存在し、CME の観測例が依然として少ないことが、観測が少ないからなのか、
実際に磁場による抑制が効いているのか、不明な状況である。
本修士論文では、(i) RS CVn 型連星 V1355 Orionis で起きたフレアの TESS とせいめい望遠鏡による可視光観測[2]、(ii) RS CVn 型連星 IM Peg で起きたフレアの NICER による X 線観測、(iii) M 型星 EV
Lac で起きたフレアの NICER、Swift、TESS、なゆた望遠鏡による多波長 (X 線/紫外線/可視光) 同時観
測[3]を実施した。そして、(i)と(ii)の観測では、星の脱出速度を大幅に超過する2000 km/s 近くの青
方偏移をそれぞれ、Hα線、Fe XXV Heα輝線において初めて検出した。(iii)の観測では、100 km/s 近
くの Hα線の青方偏移を
IM PegBlueshift
4(RS CVn)(Fe XXV Heα)
伴うフレアの放射成分を3
多波長で同時に観測する
2ことに成功した。このこ
1とは、太陽よりも磁気活 フレア
4
動性が高い恒星であって-4も[1]の議論に反し、
Fig.
6.9
6.3
6.6
7.2
Energy (keV)
X線観測1.に示すような CME がス
V1355 Ori
(NICER)(RS CVn)
0.08
ーパーフレアに伴って発BlueshiftCME(Hα)
生することを示唆してい可視分光観測0.04
る。さらに、これらの CME(せいめい/なゆた)
は太陽フレアと CME のエ
0.00
ネルギー間に存在するス
6500
6562.86620
ケーリング則の延長上に
Wavelength (Å)
位置する普遍的な現象でFig. 1. The imaginary picture of the CME (© National Astronomical Observatory
あることも明らかになった。 of Japan) reported by [2] and blue-shifted Hα and Fe XXV Heα spectra.
References[1] Alvarado-Gomez, J. D., Drake, J. J., Cohen, O., et al., ApJ, 862, 93 (2018)[2] Inoue S., Maehara H., Notsu Y., et al., ApJ, 948, 9 (2023)[3] Inoue S., Enoto T., Namekata K., et al., PASJ, in press (2024)

高速パルス磁場を用いた 57Fe 核スピン操作の放射光核共鳴散乱による測定
核放射物理学研究室

太田英寿

Abstract To develop research on gamma-ray quantum optics, we conducted research on controlling of
nuclear spin of the excited state of 57Fe by applying a pulsed magnetic field. We also developed aswitching magnetic field generator with a high-speed pulse, whose rise time is approximately threetimes as fast as that of previous one.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年，メスバウアー効果による無反跳γ線を用いた電磁誘導透過現象や，コヒーレントなγ線波形制
御といったγ線領域の基礎過程に着目した量子光学的な研究が盛んに行われている[1][2]．特にメスバ
ウアー効果による無反跳γ線では，核種によってエネルギー分解能が～10-13 にも達し，さらには偏光や時間領域の構造の制御に関する理論的なフレームワークの構築や実験の発展が進んでおり，従来の物性研究などへの応用にとどまらず，量子情報や量子通信といった分野への応用も期待されている[3]．本研
究ではそのようなγ線量子光学研究の発展を目指して，パルス磁場を用いて 57Fe の励起状態の核スピン操作に関する研究を行った．
実験は大型放射光施設 SPring-8 の BL11XU で行った．分光器によって 57Fe の第一励起エネルギーである 14.4 keV で線幅数 meV に単色化された放射光を試料に入射すると，超微細相互作用によって分裂したすべての準位が励起される．脱励起過程において前方に放射されるコヒーレントなγ線の時間スペ
クトルを測定すると，超微細相互作用を反映した干渉パターンがあらわれる．このとき，一定の弱い外部磁場に加えて放射光励起時に逆方向に印加していた 200 ns 幅の矩形パルス磁場を，励起後およそ 100
ns までの間に off になるように設定した．これにより原子核位置の磁場方向を反転させることで核スピンを反転させ，再放射されるγ線の干渉状態を変化させることで時間スペクトルにあらわれる変化を観測した．放射光には高指向性，パルス特性，偏光などの特徴があるため，励起された 57Fe 原子核が脱励起されるまでのタイミングを狙って磁場を反転させることは，崩壊がランダムな放射性同位体線源では困難であるが，放射光パルスによる励起では容易にタイミングをとることができ，今回の実験目
的に非常に適した条件となっている．
得られた測定スペクトルを理論曲線と比較することにより，パルス磁場によってスピンが反転していることが確認された (Fig. 1.)．また，パルス磁場をoff にするタイミングを変化させることで，時間スペクトル上にもそれを反映した変化を観測することができた．今回の測定では使用した磁場発生装置の立ち上がり時間が遅かったため，パルス磁場をoff にした状態で測定を行った．しかし，磁場発生装置をoff にした立ち下がり時にはパルスにリンギングが生じ，磁場のゆらFig. 1. Measured time spectra of forwardぎが発生していた．このため，立ち上がり時のスイッチ速度
scattering by 57Fe in FeBO3 shown as dots (a)の改善を目指してパルス磁場発生装置の開発も行った．結果
without pulsed magnetic field and (b) withとして，従来のものと比べ3倍以上の立ち上がり時のスイッ
pulsed magnetic field turned off at 40.5 ns.
チ速度を実現することができた．
Solid lines are simulated spectra.

References[1] R. Röhlsberger, et al., Nature, 482, 199(2012).
[2] F. Vagizov, et al., Nature, 508, 80(2014).
[3] J. Gunst, et al, Sci, Rep., 6, 25136(2016).

水-ニュートリノ反応の精密測定に向けた
水ベース液体シンチレータ飛跡検出器の開発
高エネルギー物理学研究室

恩田直人

Abstract For a new near detector to measure the water-neutrino interaction precisely in the HyperKamiokande experiment, we are developing a tracking detector using Water-based Liquid Scintillator(WbLS). The result of beam test of a prototype WbLS detector and the study for improving the light yieldof the WbLS detector are reported.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ニュートリノ振動は、素粒子物理学における標準理論を超えた物理現象であり、現在の物理学における未解決問題の解決や新物理を探索する鍵となりうる。ニュートリノ混合行列の複素位相角𝛿CP による
CP 対称性の破れは、宇宙の物質と反物質の非対称性を説明する有力な候補である[1]。
ハイパーカミオカンデ(HK)実験は、岐阜県飛騨市神岡町の地下に建設される大型の水チェレンコフ検
出器、HK 検出器を用いた実験である。CP 対称性の破れを表すsin𝛿CP ≠ 0の発見が物理目標の 1 つに掲げられている。HK 検出器は 2027 年からの稼働を予定しおり、現在は準備が進められている。sin𝛿CP ≠ 0の感度を最大限に高めるために、系統誤差の削減、特に HK 実験と同じ水を標的としたニュートリノ反応の精密測定による削減が必要である。そのため、HK 実験では現行の T2K 実験の前置検出器に加え、新たな水標的の前置検出器の導入が検討されている。
水ベース液体シンチレータ(WbLS)は、水に界面活性剤を用いて液体シンチレータを溶かした液体である。水を含みながらシンチレーション光を観測できることから、水をニュートリノ標的としながら不感領域の少ない検出器として利用可能であり、新前置検出器の候補として開発を進めている。我々の開発する WbLS 検出器(Fig 1.)は、反射材によって区切られたセルが WbLS によって満たされている。セル内で発生したシンチレーション光は 3 方向から通された波長変換ファイバを通して伝搬し、MPPC によって検出される。
まず初めに、WbLS 検出器の4 × 4 × 5 = 20セルの小型試作 Fig 1. Design of the WbLS tracking
機を作製し、陽電子ビームを用いた試験を行なった。その detector for near detector of the HK
結果、荷電粒子の飛跡を確認し、飛跡検出器として使用可 experiment
能であることを確認した。しかしながら、その検出光量は低く、そのままでは前置検出器として使用可能なものではないことが判明した。
そのため、WbLS 検出器の検出光量の向上を目的とし、WbLS と反射材の改良を行なった。WbLS については、使用する界面活性剤を選び直すことで、水の割合を 5%の低下に抑えた上で液体シンチレータの割合を 10 wt%から 20 wt%まで大きくすることに成功した。この WbLS の発光量を測定したところ、従来のものより 78%程度の増加が確認された。反射材については、いくつかの候補を用いて小型の容器を作製し、検出光量を測定した。シミュレーションを用いて反射率を評価し、その結果最も高い素材でも 85%であり、改善の余地があることが分かった。また、シミュレーションを用いて、実際の WbLS 検出器の容器の大きさにおいて検出される光量を見積もったところ、最大で 1 波長変換ファイバあたり 9.8±0.2
p.e./MeV であり、これはビーム試験時と比較しておよそ 3.7 倍の検出光量を達成したことになる。
本研究により検出光量が大幅に増加したことで、WbLS 検出器が前置検出器として最低限の性能を持つことを示した。ただし、検出光量はシミュレーションによる評価であり、実験による実測が求められる。また、水-ニュートリノ反応測定による系統誤差の削減効果を最大にするために、WbLS の組成の最適化が必要である。
References[1] Y. Hamada et al., JHEP, 2018, 178 (2018)von Neumann 代数を用いた無限次元量子誤り訂正としてのバルク再構成
基礎物理学研究所素粒子論グループ

神田大樹

Abstract We study the quantum error-correcting properties of the bulk reconstruction of AdS/CFT
correspondence using the Petz map. Petz map is a generalization of the quantum recovery channel, whichis available for von Neumann algebras on infinite dimensional Hilbert spaces. In addition, we tackle theentanglement wedge reconstruction.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

重力理論と場の理論の対応を論じるホログラフィ、特に、漸近的反ドジッター（AdS）空間上の弦理論とその漸近境界上の共形場理論（CFT）の対応を論じる AdS／CFT 対応は、量子力学と重力理論の統合を目指した量子重力理論を解析する有力な手法になっている。また、AdS／CFT 対応は量子情報理論など
様々な方面への応用が考えられており、AdS／CFT 対応におけるバルク再構成は量子誤り訂正符号として解釈できることが知られている。
量子情報理論において量子情報とは量子状態のことであり、対応する状態ベクトル、若しくは密度行列が存在する。量子誤り訂正符号は量子情報をより大きな Hilbert 空間に冗長性を持たせて符号化することによって、一部分にエラーが起きても訂正可能にする手法である。また、バルク再構成は消去エラーと呼ばれるエラーチャンネル(1)
に対する復号チャンネルであると解釈されている[1]。これは、AdS空間の部分領域の密度行列を CFT の部分領域の密度行列に送る量
子チャンネルである（Fig.1）。
また、最近 AdS／CFT 対応に応用がされてきた分野の一つに von
Neumann 代数を用いた代数的場の理論が挙げられる。代数的場の理
論は場の理論を数学的に解析する手段の一つで、ある一つの時空点上の演算子を考えるのではなく、時空の部分領域の上の代数を考えることで場の理論の発散を回避する。数学的に、von NeumannFig.1 : The Duality between AdS
代数は I 型、II 型、III 型の三種類に分類を出来ることが知られsubregions and CFT subregionsており、通常の量子情報理論のセットアップである、有限次元
Hilbert 空間の von Neumann 代数は I 型となる。しかしながら、場の理論を考えると、一般に Hilbert 空間は無限次元であり、部分領域の von Neumann 代数を考えると一般的には III 型になることが知られている。III 型の von Neumann 代数の顕著な特徴としては、密度行列を定義することができないことが挙げられる。つまり、バルク再構成を式(1)のような密度行列を用いたエラーチャンネルの復号チャンネルとして考えることは適切ではない。
そこで、本論文の目的を、「量子誤り訂正符号の概念を一般の von Neumann 代数に拡張をし、さらに、
AdS／CFT 対応を von Neumann 代数を用いて考えることによって、バルク再構成を正しく理解しなおすこと」とした。特に、Petz 写像と呼ばれる、復号チャンネルを構成する方法を通じてバルク再構成を定式
化[2]して、エンタングルメントウェッジ再構成と呼ばれる、CFT の部分領域に対応する AdS の部分領域
が非自明に拡大したときのバルク再構成の方法を具体的に提示する。
References[1] A. Almheiri, X. Dong, and D. Harlow, Bulk Locality and Quantum Error Correction in AdS/CFT, J. HighEnergy Phys., April 2015.
[2] N. Vardian, Black Hole Interior Petz Map Reconstruction and Papadodimas-Raju Proposal, J. HighEnergy Phys., Oct. 2023

平坦背景におけるメタ弦の量子化
素粒子論研究室

京鴻一Abstract Metastring theory is a doubled, T-duality-symmetric, phase-space-like formulation of string
theory. I derived commutation relations between modes from normal ordering and gave the spectrum inflat background. Furthermore, I found world sheet Lorentz symmetry hidden in metastring non-locally.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

現在まで、重力を量子的に扱う正しい方法は分かっていない。これは基礎物理学における大きな課題である。弦理論はこの量子重力の問題に王手をかけているが、現実の宇宙を説明するのに十分な予言能力を未だ発揮できずにいる。
量子重力の問題にアプローチするに際し、L. Freidel, R. G. Leigh, D. Minic らは、時空の概念が未だ古典的である点を指摘し、量子力学の見地から時空を量子的に捉え直す必要性を訴えている [1]。
そうして捉え直された時空を Modular 時空と呼ぶ。Modular 時空の考え方の肝は、時空ではなく相空間を基本的対象として捉え、位置と運動量を対等に扱うことにある。対応して、通常の計量 g の代わりに位置と運動量両方の足を持つ計量 H を与えることになる。運動量空間が位置の空間とは別に曲がることを許すことは、相対局所性(Relative Locality)の考え方に繋がり、どんな観測者も共通して了解する
背景としての時空、という概念は解体されることになる[2]。
Modular 時空の考え方は幾何的量子化(Geometric Quantization)の立場から理解される。幾何的量子化の見方では、相空間は正準交換関係を与える二形式ωが備わったシンプレテクティック多様体であり、時空はその半分の次元を持つラグランジアン部分多様体である。この次元を半分に落とす操作を偏極(Polarization)と呼び、偏極は相空間に計量ηを与えることで指定される。通常の量子力学で用いられている偏極を Schrödinger 偏極と呼び、「位置表示」や「運動量表示」はいずれもこれにあてはまる。
実は、位置表示でも運動量表示でもない、しかしそれと等価な別の偏極が存在する。それが Modular 偏極であり、この偏極によって把握される時空こそが Modular 時空なのである。
以上に現れた三つの構造、運動量空間まで拡張された計量 H、相空間のシンプレクティック構造を与える二形式ω、相空間に偏極を与える計量ηが自然に組み込まれるような弦理論の拡張として提唱されたのがメタ弦理論(Metastring Theory)である[3]。メタ弦は、標的空間が相空間であること、カイラルな理論であること、T-双対性が標的空間の対称性になることなどの特徴を持つ。また、メタ弦は dS 空間と整合する余地がある点をはじめとして、いくつかの方面で現象論的な重要性も持っている[4]。ただ、そうした応用にて前提とされていながら、メタ弦の詳細な量子化は行われてこなかった。
本研究では、メタ弦理論のスペクトルの理解を目標に平坦背景でのメタ弦の量子化を行った。基本的な方針は通常の弦の量子化の手続きをなぞることである。具体的には正規順序を定め、各モード係数が満たす交換関係を導出し、その代数の表現を作成した後、Virasoro 拘束条件を課して非物理的状態を抑制した。得られた結果は期待通り通常の閉弦のスペクトルを再現するものであった。
また、メタ弦は世界面の Lorentz 対称性が古典的には破れているとされていたが、筆者はそれに相当
する対称性が非局所的な対称性として隠れていることを見出した。これにより世界面のゲージ固定を通常の弦と同じように行うことが正当化され、対応して通常の弦理論と同じゴーストが現れることが分かった。加えて、ゲージ固定後の作用には on-shell で共形対称性があること示し、その生成子の OPE を計算することでメタ弦が通常の弦と同じ中心電荷をもつことを確認した。
References[1] L. Freidel, R. G. Leigh, D. Minic, “Quantum spaces are modular”, Phys. Rev. D 94 (2016) 10, 104052.
[2] G. Amelino-Camelia, L. Freidel, J. Kowalski-Glikman, L. Smolin, “The principle of relative locality”, Phys.
Rev. D 84 (2011) 084010.
[3] L. Freidel, R. G. Leigh, D. Minic, “Metastring theory and modular space-time”, JHEP 06 (2015) 006.
[4] P. Berglund, T. Hübsch, D. Minic, “On de Sitter spacetime and string theory”, Int. J. Mod. Phys. D 32 (09)2330002 (2023),

スカラー・テンソル理論におけるブラックホール摂動の有効場の理論に基づく解析
基礎物理学研究所 宇宙グループ

小林 元

Abstract We study perturbations of black holes with a time-dependent scalar field based on
the low-energy effective field theory (EFT) approach. We calculate tidal Love numbers as
physical observables that quantify the deviations from general relativity (GR). Our researchshows that they become nonzero in a generic non-stealth background, unlike GR.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

一般相対論と場の量子論の不整合性は，「一般相対論の繰り込み不可能性」として知られている．このことから一般相対論は究極の物理法則ではなく，ブラックホール（BH）内部のような重力と量子論の両方が効いてくる状況において一般相対論を超える効果が現れることが期待される．連星ブラックホール合体由来の重力波 GW150914 の最初の検出（[1]）後，検出器感度の向上や新しい望遠鏡による将来の観測を通じて，最も基本的な疑問の一つである「強重力領域において一般相対論はどの程度正しいのか／どのように破れるのか」という疑問に対する決定的な答えを提供する期待が高まっている．観測
信号に含まれる一般相対論からのずれを見逃さないためにも，観測に先立って一般相対論からのずれがBH 連星合体由来の重力波の波形にどのように現れるか理論的に予言する必要がある．理論の効率的な検証という観点から，多くの理論を統一的に扱う枠組みを構築し，その枠組みに基づいて予言される物
理量を観測と比較することが好ましい．本研究では，そのような枠組みとして「有効場の理論（EFT）」のアプローチに着目する．EFT の枠組みでは，対称性の自発的破れのパターンと理論の力学的自由度さえ仮定すれば，長波長の摂動のダイナミクスが普遍的に記述される．
EFT の手法は，スカラー・テンソル理論への文脈で，一様等方宇宙のような対称性の高い時空の下での摂動の解析に用いられてきた．特にスカラー場に時間依存性を持たせることで，加速膨張する宇宙の普遍的な記述が可能になる．近年[2]において，EFT の定式化が任意の背景時空へと拡張された．この一般化を通じて，非一様な時空に対しても有効理論に基づく摂動の解析が可能になり，特にコンパクト
天体起源の重力波現象を用いた重力理論の検証への応用が期待されている．
本研究では，定常な背景BH時空との整合性からスカラー場にシフト対称性を課し，スカラー場の非自明な背景として時間に対して線形な配位を持つ場合を考えた．背景スカラー場の時間依存性を通じて，
時間方向の座標変換に対する対称性が自発的に破れる．この対称性の仮定を満たす一般的な作用の摂動展開をもとに[3, 4]で導出された，計量の摂動の従う波動方程式の解析を行った．特に，BH連星合体のイ
ンスパイラル過程の重力波に影響する量であるBHの静的な潮汐力に対する応答係数として，外場に対する変形度合いを記述する潮汐Love数を計算した．背景時空はSchwarzschild BHだが非自明なスカラー場を帯びたステルス解の場合には，一般相対論と同様に潮汐Love数が0になる一方で，計量に非自明なスカラー場の寄与が現れる例であるHayward BHの場合には，潮汐Love数が非零になることを示した．結果
として，BH連星合体由来の重力波を用いた非ステルス解の配位の検証のためには，インスパイラル過程
における軌道進化と重力波波形の計算において，潮汐変形の効果を取り入れて計算する必要があることが分かった．
References[1] LIGO Scientific, Virgo Collaboration, B. P. Abbott et al., Phys. Rev. Lett. 116, no.6, 061102 (2016).
[2] S. Mukohyama and V. Yingcharoenrat, JCAP 09, 010 (2022).
[3] S. Mukohyama, K. Takahashi and V. Yingcharoenrat, JCAP 10, 050 (2022).
[4] S. Mukohyama, K. Takahashi, K. Tomikawa and V. Yingcharoenrat, JCAP 07, 050 (2023).

境界上に局在するスカラー場による AdS/BCFT 対応の一般化

基礎物理学研究所 素粒子論グループ

佐藤政秀

Abstract We study gravity theory on Anti de Sitter spacetime with an end-of-the-world brane and abrane-localized scalar field as a gravity dual of boundary conformal field theory. This setup enables us toconstruct various new gravity solutions with interesting phase transitions which are dual to boundary RG
flows.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

素粒子理論における重要な課題である量子重力理論の構築をホログラフィー原理と呼ばれるアイデアが可能にすると期待されている．ホログラフィー原理とは，𝑑 + 1次元量子重力理論は𝑑次元の重力を含まない理論と等価であるという主張であり，実際にAdS/CFT対応なる，𝑑 + 1次元Anti de Sitter(AdS)時空における重力理論と𝑑次元Conformal Field Theory (CFT)の等価性[1]が数多くの検証から明らかになっている．
AdS/CFT対応を出発点として，より多様な時空における重力理論のホログラフィック双対を考察する
試みは多数存在するが，代表的なものの一つにAdS/BCFT対応なるモデルが挙げられる[2]．BCFT(Boundary Conformal Field Theory)とは境界付き多様体上で定義されるCFTであり，この境界に対応してAdS時空にEnd-of-the-world (EOW)ブレーンなる物体を導入してバルクの一部を取り除くことでBCFTと等価になる重力理論を構成できる．このブレーンは力学的自由度としてふるまうことが可能であることからAdS時空では多様な物理が実現されるため，AdS/BCFT対応それ自身が興味深い対象であるとともに，宇宙論や物性物理にまたがる幅広い物理の解析をAdS/BCFT対応を用いて行える．また，ブラッ
クホールの情報喪失問題のAdS/BCFT対応を用いた取り扱いは近年大きな注目を集めた．一方で，従来のAdS/BCFT対応の解析の多くは共形境界条件が課された単独の境界が存在する場合にとどまっており，より多様な境界が存在するモデルの解析によりAdS/BCFT対応やホログラフィー原理の理解を深められると期待される．
そこで本修士論文では筆者らによるEOWブレーン上にスカラー場が局在する場合のAdS/BCFT対応の研究成果[3]について解説する．このスカラー場はBCFTにおける境界上に挿入されたスカラー演算子の重力双対と解釈される．スカラー場の存在は帯状領域で定義されたBCFTの重力双対や半球面型，円錐型，アニュラス型といった多様な形状のブレーンを含む重力解の構築や境界上の繰り込み群の重力双対，有限温度における相転移の実現を可能にする．更に，EOWブレーン上にスカラー場が存在する時
空を実時間で解析すると開放系に相当する物理が現れ，測定誘起相転移[4, 5]に類似した現象が起こりうることが量子情報理論を援用した解析から示唆される．
References[1] J. M. Maldacena. Adv. Thor. Math. Phys. Vol 2, 231-252, (1998)[2] T. Takayanagi. Phys. Rev. Lett. 107, 101602, (2011) 10.1103/PhysRevLett.107.101602[3] H. Kanda, M. Sato, T. Takayanagi Y. Suzuki, and Z. Wei. JHEP, 03, 105, (2023), 10.1007/JHEP03(2023)105[4] B. Skinner, J. Ruhman and A. Nahum. Phys. Rev. X, 9, 3, 031009, (2019), 10.1103/PhysRevX.9.031009[5] Y. Li, X. Chen and P.A.M. Fisher. Phys. Rev. B, 100, 13, 134306 (2019), 10.1103/PhysRevB.100.134306

JT重力とアイランド
素粒子論研究室

繁村知宏

Abstract In extreme spacetimes like black holes, general relativity fails, prompting a search for aquantum gravity theory. The focus is on entanglement entropy in Hawking radiation. By dynamicallyaltering the region around a black hole, a replica wormhole or "island" configuration is calculated, aiding
understanding through JT gravity.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

宇宙の初期やブラックホールなどの極限的な時空では一般相対論は破綻し、そのような状況を説明する手段の一つとして重力と量子論を統合した量子重力理論の構築が考えられる。しかし、場の量子論の通常の枠組では重力の量子化は成功していない。よって重力の量子化とは何かを原点に立ち返って考える必要がある。重力の量子化を考えるにはまず重力の量子力学的な自由度を知る必要がある。
そのために、量子論的な自由度に関係する量であるEEに着目し、これが重力がもつと思われる量子論的な効果による補正を受ける場合を考える。具体的には、ブラックホールのエネルギー放射(ホーキング放射)のエンタングルメントエントロピー(EE)を対象とする。
ホーキング放射のEEは以下のようにして求める。まずFig.1のようにある時間一定面でブラックホー
ルの遠方の領域にカットオフを設けて時間一定面をA,Bの2つに分ける。ここで点線はブラックホールのホライゾン、青色の領域がA、灰色の領域がBである。ホーキング放射はBを通過してAに「貯まる」と考えてAとBのEEがホーキング放射のEEだと考える。ここでBはブラックホールが存在する領域であり、Bに対して量子重力の効果を場の量子論の範疇で取り入れる。そのためにBの領域をカットオフを境界としてダイナミカルに変化させる。具体的には経路積分を考えて、Bの部分のトポロジーと計量を変化させる。
このような状況でEEを計算するためにレプリカトリックという手法を用いるとFig.2のようなレプリ
カワームホールとよばれる配位が現れる[1]。この配位の寄与は見方によってはFig.3のようにあたかもブラックホールの内側にAとみなせる領域があるように見えて、これをアイランドという[2]。
上述の議論に基づいて実際にホーキング放射のEEを計算するのは一般には難しいが、2次元ディラトン重力であるジャッキウ・テイテルボイム重力(JT重力)については詳細に計算することができる。JT
重力はより高次元のブラックホールのホライゾン近傍での近似から得られる理論であり[3]、JT重力によるホーキング放射のEEの計算結果はより高次元のブラックホールに対する知見を与える。
今後の展望としてはより高次元のブラックホールに対する計算や、EE以外の量によるホーキング放射の量子力学的自由度の評価を行いたい。

References[1] A. Almheiri, T. Hartman, J. Maldacena, E. Shaghoulian, and A. Tajdini, “Replica Wormholes and the
Entropy of Hawking Radiation,” J. High Energy Phys., vol. 2020, no. 5, p. 13, May 2020, doi:
10.1007/JHEP05(2020)013.
[2] A. Almheiri, T. Hartman, J. Maldacena, E. Shaghoulian, and A. Tajdini, “The entropy of Hawking
radiation,” Rev. Mod. Phys., vol. 93, no. 3, p. 035002, Jul. 2021, doi: 10.1103/RevModPhys.93.035002.
[3] P. Nayak, A. Shukla, R. M. Soni, S. P. Trivedi, and V. Vishal, “On the dynamics of near-extremal black
holes,” J. High Energy Phys., vol. 2018, no. 9, p. 48, Sep. 2018, doi: 10.1007/JHEP09(2018)048.

グザイバリオン分光実験に用いるビーム粒子識別用
リングイメージングチェレンコフ検出器の開発
原子核・ハドロン物理学研究室

鈴木翔太

Abstract We plan spectroscopy of cascade baryons at the J-PARC pi20 beamline. To identify K- among
unseparated beam particles, we have developed a Beam Ring Imaging Cherenkov (Beam-RICH) detector.
Results of the test experiment at ELPH and expected performance at the pi20 beamline will be reported.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

バリオンの基底状態の性質はクォーク模型によって非常に良く記述されるが、クォークモデルで予測されるバリオンの励起状態の中で実験的に発見されていない状態が多く存在する。この問題を解決するものとしてダイクォークモデルが提唱されている[1]。バリオン内部でのクォークの自由度を解明するにあたり、励起状態についての詳細な実験が期待されている。特に u,d クォークより質量の大きい s ク
ォークを 2 つ含むグザイバリオンはダイクォークモデルを検証する非常によいプローブである。グザイ
バリオンの励起状態について精密分光を行われることで、バリオン内部の構造を明らかにすることができると期待される。
グザイバリオン分光実験 (J-PARC E97 実験)では K-ビームを液体水素標的に照射し、グザイバリオンの励起状態の質量スペクトルを測定する[2]。欠損質量法により、2.3 GeV/c2 までの各励起状態の存在を 5σの有意性で確立し、各状態の質量を 0.1 MeV/c2 の精度で決定することが目的である。
J-PARC E97 実験は 2 次粒子ビームラインであるπ20 ビームラインにおいて行われる。用いる K-ビー
ムの運動量は 5.0～8.5 GeV/c である。しかし、π20 ビームラインではバックグラウンドとなる π- がK- の 100 倍程度あり、粒子弁別機能がないため、検出器によってπ-と K-の識別を行うことが重要となる。J-PARC E97 実験では π-を K-と誤認する確率を 0.03 % 以下にすることが要求される。本研究では飛行時間(Time-Of-Flight)法によるπ-と K-の識別が難しい 5.0～8.5 GeV/c 運動量領域でのビーム粒
子識別用検出器としてリングイメージングチェレンコフ(Beam-RICH) 検出器の実機の開発を行った。
RICH 検出器はチェレンコフ光の放出角(チェレンコフ角)を測定する検出器である。他の検出器によって測定された粒子の運動量とRICH 検出器によって測定されたチェレンコフ角を用いて粒子の質量を求めることで粒子識別を行うことができる。Beam-RICH 検出器の実機の製作に当たり光学系の最適化を行い、チェレンコフ角を求める方
法、粒子識別方法を新たに開発した。実機として新たに製作した
Beam-RICH 検出器の性能評価試験を ELPH において陽電子ビームを用いて行った。チェレンコフ光によるリングを測定し(Fig.1)、チェ
レンコフ角の角度分解能の評価を行った。得られたチェレンコフ角の分布には原因の特定できないテール成分があったが、ピーク部分では十分な分解能が得られた。ピーク部分の分解能を用いたπ20 ビームラ
インでの粒子識別能として、全運動量領域において誤識別率 0.03 %以下で K- の検出効率 96 % 以上を達成した。また、チェレンコフ角の分布におけるテール部分の粒子識別に対する影響についても評価した。
References[1] M. Anselmino et al., Rev. Mod. Phys. 65, 1199 (1993).
[2] M. Naruki et al., J-PARC E97 proposal (2022)

Fig. 1. Cherenkov ring observed in
the test experiment

S-2S を用いたΞハイパー核分光のためのK 中間子識別手法の開発
原子核ハドロン物理学研究室

高橋秀治

Abstract The high-resolution spectroscopy for Ξ hypernuclei will be performed in J-PARC. It isnecessary to distinguish signal kaons from huge background particles. We developed an analysis
procedure to identify the kaons by using S-2S system. We found that background particles can be reduced
to 3×10-6, and the experiment is feasible.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ストレンジネス核物理はバリオン間相互作用や高密度核物質の理解において重要な役割を果たしているものの、特にΞN 相互作用を含む S = −2 系の実験情報はまだまだ不足している。そこで大強度陽子加速器施設(J-PARC)において(K - ,K + )反応による欠損質量法を用いたΞハイパー核の精密分光実験(J-PARC E70 実験)が準備されている。J-PARC が供給する大強度 K 中間子ビームを用いて十分な統計量を確保しつつ、高運動量分解能の磁気スペクトロメータ S-2S や有感標的を用いることで世界最高のエ
ネルギー分解能(2 MeV)での分光測定が実現可能となる[1]。
(K- ,K+)反応のイベント同定には入射粒子及び散乱粒子の識別が不可欠である。特に標的からの散乱
粒子は背景事象である π + や陽子が合わせて K + の約 300 倍検出される。それら背景事象はトリガーレー
トの上昇を招き DAQ 効率の低下に繋がる上、Ξハイパー核のエネルギースペクトラムに漏れ込みピーク
構造の弁別に悪影響を及ぼす。これを解決するため、本研究では K+ の識別手法の開発、及びその識別能力の評価を行った。オンライントリガー段階における粒子識別には屈折率 n = 1.05—1.06 のエアロゲル
チェレンコフ検出器 (AC)、n = 1.33 の水チェレンコフ検出器 (WC)を組み合わせ、データ取得後のオフライン解析ではチェレンコフ検出器に加え散乱粒子の再構成質量を用いる。
2023 年に取得したコミッショニングのデータ解析から、 Table. 1. Survival ratio of signal kaon and
各手法の粒子識別性能を評価した(Table.1)。オンライン解 background particles pions and protons by each析において目標となるトリガー要求レートは DAQ 効率の面 method.
から 3k/spill である。
これに対しビームトリガーと TOF 検
出器のトリガーで約 2k/spill、チェレンコフ検出器導入時
で約 100/spill と求められ、いずれも目標値を満たす。一方、ESC08a という相互作用モデルに基づく歪曲波インパル
ス近似[2]に基づいたΞハイパー核のエネルギーピーク構
造のシミュレーションを行った。その結果弁別に必要な性能として背景事象の残存率は 10-4 以下に抑える必要がある。本識別手法ではオフライン解析により背景事象の残存率を 3×10-6 にまで抑えることが可能であり、目標値を達成でしている(Fig.1)。以上により開発した粒子識別
手法は分光実験の実現にあたって十分な性能を有していることが判明した。
データ取得後、Ξハイパー核の束縛エネルギー決定の際にはピークのフィッティングを注意深く行う必要がある Fig. 1. Expected statistical error on the Ξbinding energy. The horizontal axis represents
ことをデモンストレーションした。
the survival ratio of background particles.
References[1] T. Nagae et al., Proposal for the next E05 run with the S-2S spectrometer, Proposals for Nuclear and Particle
Physics Experiments at J-PARC (2018).
[2] T. Motoba, S. Sugimoto, Nuclear Physics A 835, 223-230 (2010).

ダークフォトン探索に向けた広帯域分光計の開発と評価
高エネルギー物理学研究室

竹内広樹

Abstract Understanding the nature of dark matter is important in both astrophysics and particle physics.
Dark photon is a candidate for dark matter. Thus far, the speed of dark photon search is limited by the
bandwidth of the spectrometer. For solving this difficulty, I developed a spectrometer with 4 GHz
bandwidth.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

宇宙のエネルギー密度のうち、およそ 1/4 はダークマターと呼ばれる未知の物質が占めていると考えられている。ダークマターはその存在が確信されているものの、エネルギー密度を除いてほとんど性質がわかっておらず、ダークマターの正体解明は宇宙物理学、素粒子物理学双方で重要な課題である。
近年、ダークフォトンと呼ばれる粒子が注目されている。特に、10-1000 μeV/c2 の質量を持つダー
クフォトンはダークマター候補 (DP-CDM) として一部のインフレーションモデルや弦理論からの動機がある [1][2]。ダークフォトンは電磁場と結合定数χでわずかに相互作用し、質量 mDP に比例した周波数の転換光子を放出するという性質を持つ。そのため、転換光をアンテナ等で受信し分光計で周波数ピークを探すという実験方法が有効である。
これまで、様々な質量領域でダークフォトンの探索が行われ、私の所属する研究グループでも既に10-26.5 GHz 帯 (41-110 μeV/c2) での探索を行なってきた[3][4]。しかし、これらの実験では分光計の帯域幅がアンテナや RF 回路が対応している周波数領域よりも狭いため、分光計の帯域幅が実験の探索速度を制限している。探索速度の向上と統計量の増加によるχの感度の向上のため、より広帯域を一度に分光できる分光計が求められる。
そこで、4 GHz の帯域幅をデッドタイムなしに分光できる分光計を新たに開発した。周波数 f の転換光の周波数ピークの幅Δf は典型的にΔf/f〜10-6 と極めて狭いため、ピーク検出できるよう 16 kHz の周波数分解能を確保した。実装においては RFSoC と呼ばれる ADC や CPU,FPGA などが 1 つのチップにまとめられた SoC を使い、FPGA 上に構築した FFT 回路によって分光処理を実行した。FFT 回路の設計にあたっては、Fig. 1. The new spectrometer.
16 並列の FFT 回路を利用することで 4 GSPS の ADC 入力を絶え間なく処理できるようにした。回路を並列化すると回路規模が拡大してしまうが、回転演算回路の改良による省メモリ化や、回転演算回路の必要数を削減できるアーキテクチャの採用によって規模の増加を低減した。これらの設計の工夫により設計通りの動作クロックで FPGA への回路実装に成功し、実際に分光計を制作することができた。
さらに、制作した分光計について性能評価試験を行った。まず、単色RF源を入力して予想通りのスペクトルが得られているかを確認したほか、入力電力の大きさを変えて電力を測定し、0.5%未満の精度で線形性を確認した。また、24時間に渡って連続してデータ取得を続けられるか検証し、分光計の安定性を確認した。さらに、データ取得にかかった時間の計測と黒体輻射の測定から、分光計が実際にデッドタイムなしで分光できていることを確認した。これらの測定により、この分光計がダークフォトン探索に有用であることを実証できた。
この分光計を使うことでダークフォトン探索の感度向上が見込まれる。例えば、先行実験[3]から分光計を差し替えるだけで4倍以上χの感度を向上できる見込みである。さらに、今後探索を計画している170 – 260 GHz帯においても、既存の実験よりも2桁程度良い感度で探索できる見込みである。
なお、開発した分光計およびFFT回路に関して特許出願中である（特願2023-209086）。
References[1] Peter W. Graham, et al., Phys. Rev. D 93, 103520 (2016)[2] Paola Arias, et al., J. Cosmol. Astropart. Phys. 2012, 06 013 (2012)[3] Shumpei Kotaka, et al., Phys. Rev. Lett. 130, 071805 (2023).
[4] Shunsuke Adachi, et al., arXiv 2308.14656v4 (2023).

場の理論における一般化対称性

基礎物理学研究所素粒子論グループ

田中隆寛

Abstract The concept of symmetry, which is a powerful tool for analyzing a quantum field theory (QFT),
has been generalized and new symmetries have appeared. In this thesis, we discuss ways to construct thegeneralized symmetries of famous QFTs and some applications including the restriction ofrenormalization group flow.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

場の理論を解析するうえで、「対称性」に注目することは非常に大切である。ある理論についての情報を引き出す、例えば何らかの物理量を計算するとき、それを摂動的に求められる場合がある。量子電磁力学はその成功例であり、電子と光子の相互作用についての実験結果を精度良く再現する。しかし、
この摂動論はいつでも使えるわけではない。なぜなら、摂動論は理論に含まれる結合定数についてのべき展開であるが、我々の観測できるエネルギースケールにおける結合定数がべき展開できないほど大きい場合があるからである。このケースに当てはまる例が量子色力学である。このような状況でも、何かしらの情報を得るための強力な手段が「対称性」である。
近年、[1]をはじめとして対称性の概念が一般化され、今までに知られていなかった対称性が議論されている。現代的な対称性は作用の不変性というより、トポロジカルな対称性演算子の存在として捉えられる。Fig.1.のように対称性演算子の余次元や融合則などのいくつかの観点の一般化の方向性によって、高次対称性、高次群対称性、非可逆対称性などと呼ばれる。

Fig. 1. 一般化対称性の関係性。一般化の方向性によって、様々な対称性が生まれる。

本修士論文では、場の理論における一般化対称性の構成と応用についてまとめた。まずは高次対称性について、様々な理論の持つ高次対称性の特定を遮蔽と呼ばれる方法を用いて行ったあと、4 次元の非可換ゲージ理論は CP 対称性と電気的 1 次対称性の間のアノマリーを持つことを見る[2]。次に高次群対称性について、複数の対称性がどのようにして混ざり合って新たな対称性ができるのかを連続的な場合と離散的な場合とで分けて議論する。最後に非可逆対称性について、代表的な 3 つの構成法を紹介し、融合則の計算を行う。また応用として、繰り込み群のフローに関する制限[3]なども議論する。
References[1] Davide Gaiotto, Anton Kapustin, Nathan Seiberg, and Brian Willet, “Generalized Global Symmetries,” JHEP,
02:172, 2015.
[2] Davide Gaiotto, Anton Kapustin, Zohar Komargodski, and Nathan Seiberg. “Theta, Time Reversal, andTemperature,” JHEP, 05:091, 2017.
[3] Yichul Choi, Clay Córdova, Po-Shen Hsin, Ho Tat Lam, and Shu-Heng Shao, “Non-invertible Condensation,
Duality, and Triality Defects in 3+1 Dimensions,” Commun. Math. Phys., 402(1):489-542. 2023.

酒井-杉本模型におけるバリオンのエネルギー運動量テンソ
ルおよび D-term の数値解析
素粒子論研究室

塚本

大智Abstract The gravitational form factor, especially the quantity called the D-term has recently attracted
attention as an important index for describing the internal structure of hadrons. We numerically construct
a baryon with baryon number 1 in the Sakai-Sugimoto model and obtain its energy-momentum tensor andthe D-term, which is about -2.05.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

エネルギー運動量テンソルの行列要素である gravitational form factor はハドロンの構造を記述する重要な指標として近年実験、理論どちらの分野からも注目を集めている。Gravitational form
factor にはさまざまな項が存在し、それぞれがハドロン内部のエネルギー分布やスピン分布などを表現している。その中でも D-term と呼ばれる物理量はハドロン内部の応力分布に対応した量であり、質量、
スピンとならぶハドロンの基本的な量である一方で、その値が知られていない ”the last unknown
global property”として重要な研究対象となっている。実験分野では𝛾 ∗ + 𝛾 → 𝜋 " + 𝜋 " や 𝑛 + 𝛾 ∗ →𝑛# + 𝛾といった非弾性散乱実験からパイオンや陽子の D-term が測定されている。一方で理論分野ではSkyrme 模型や格子ゲージ理論など、さまざまな理論でハドロンの D-term が計算され、その値が予言されている[Polyakov]。
ハドロンの物理を記述する模型にはさまざまなものがあるが、本論文では酒井-杉本模型に基づき、バリオンの D-term を計算する。酒井-杉本模型は、ゲージ/重力対応を用いて QCD の非摂動論的な側面を調べるホログラフィック QCD の代表的な例である[2]。酒井-杉本模型は𝑆$ に巻きついた𝑁% ≫ 1枚の***-brane から構成され、
D4-brane と、
𝑆$ に直交する𝑁& 組の D8-D8
開弦の有効理論として large 𝑁% massless
QCD を持つ。一方で重力理論による記述では d4-brane が black brane 重力解として記述され、D8 brane
たちはその背景重力中を probe する。したがってその有効理論は 1+4 次元𝑈,𝑁& - Yang-Mills 理論とChern-Simons 項からなる。𝑈,𝑁& - ゲージ場はパイオンと(軸性)ベクトルメソンに対応しており、そのス
ペクトルをはじめとするメソンの物理が再現される[2]。一方でバリオンはソリトン解として記述され、バリオン数は第二 Chern 数で定義される[3]。先行研究では主に原点近傍では平坦時空中のインスタン
トン解による近似を行い、十分遠方では漸近系による近似に基づきスペクトルや各種 form factor, Dterm などが計算されている[3][4][5]。しかし、D-term の計算には平坦時空近似や漸近系による近似が成り立たない領域の寄与も十分にあるため、全空間に渡って数値的に解を求めることが必要になる。
本論文では酒井-杉本模型でバリオン数 1 のバリオンを球対称な ansatz の下で数値的に構成し、さらに global ゲージ変換対称性を spin/isospin の自由度と同一視して集団座標量子化することで、バリオンのエネルギー運動量テンソルと D-term を求めた。パイオンの崩壊率と𝜌メソンの質量を再現するようパラメータを設定すると D-term の値はおよそ-2.05 であり、他のハドロン有効模型と比較して同程度の値になっていることを確認した。
References[1] Maxim V. Polyakov and Peter Schweitzer. Forces inside hadrons: Pressure, surface tension, mechanical radius,
and all that. International Journal of Modern Physics A, 33(26):1830025, September 2018.
[2] T. Sakai and S. Sugimoto. Low energy hadron physics in holographic qcd. Progress of Theoretical Physics,
113(4):843–882, April 2005.
[3] H. Hata, T. Sakai, S. Sugimoto, and S. Yamato. Baryons from instantons in holographic qcd. Progress ofTheoretical Physics, 117(6):1157–1180, June 2007.
[4] K. Hashimoto, T. Sakai, and S. Sugimoto. Holographic baryons: Static properties and form factors fromgauge/string duality. Progress of Theoretical Physics, 120(6):1093–1137, December 2008.
[5] Mitsutoshi Fujita, Yoshitaka Hatta, Shigeki Sugimoto, and Takahiro Ueda. Nucleon d-term in holographic
quantum chromodynamics. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2022(9), August 2022.

T2K 実験ニュートリノ検出器 SuperFGD のための信号読み出し検査システムの開発と運用
高エネルギー物理学研究室

對馬拓実

Abstract In the T2K experiment, a new neutrino detector, SuperFGD, has been constructed and put into
operation. About 56000 channels will be used for data-taking and it is important to identify and fix
problematic channels. I show the methods and results of channel checking during the assembly andoperation stages.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

T2K 実験は、ニュートリノ混合行列の CP 位相の測定を主な目的とした長基線ニュートリノ振動実験である。茨城県東海村にある J-PARC で生成された大強度のニュートリノビームを、岐阜県旧神岡鉱山にあるスーパーカミオカンデで測定する。
T2K 実験では、CP 位相測定における系統誤差削減を目的に、前置検出器群の改良が行われた。その中の一つに SuperFGD というニュートリノ反応標的兼飛跡検出器がある。 SuperFGD は、1 cm 角のプラス
チックシンチレータ 200 万個とそれらすべてを 3 方向から貫く 5.6 万本の波長変換ファイバー、そして5.6 万個の光検出器から構成されている。ニュートリノ反応によって生じた荷電粒子によるシンチレー
ション光は、波長変換ファイバーを通り、その一端に設置された光検出器で測定する。
SuperFGD の 5.6 万チャンネルのうち、信号を正常に読み出すことのできないチャンネルが多数存在してしまうと、荷電粒子の飛跡を再構成することができなくなる。そのため、検出器の建設時と運転時において、問題のあるチャンネルの把握と適切な対処によって、99%以上のチャンネルで正常にデータ取得が可能である状態にする必要があった。
建設時には、検出器全体の遮光と約 900 本の信号読み出しケーブルの接続作業を行った。この際、最終的に信号ケーブルが表面を覆うため、後戻りして作業を行うことができない。そのため、接続と遮光を確認する試験を並行して行う必要があった。この確認試験を効率的・定量的に行うために、安定的に正確かつ素早い動作をする検査システムを開発した。そして、開発したシステムを用いて問題を発見・改善し、5.6 万個すべてのチャンネルで正常にデータ取得を行える状態にした。
運転時には、検出器の整備と監視、さらに増倍率較正のために、チャンネルの信号分布の情報自体から正常かを検査した。そのために、データ取得やエレクトロニクスの設定、さらには光量設定に問題のあるチャンネルについて、5 つの分類を考案し、分類に応じて対処を行った。そして、地上での試運転
から実際のニュートリノビームデータ取得
において、チャンネルの健全性を確認した。
その結果、約 95%のチャンネルでデータを正常に読み出すことができ、エレクトロニク
スや光量を適切に設定することで 99.85%のチャンネルについてもデータ取得に問題のない状態とした。
そして、SuperFGD は 2023 年 11 月から行
われたニュートリノビームデータ取得においても 99%以上のチャンネルを安定的に動作させ、ニュートリノ反応による荷電粒子の飛跡を観測することに成功した(Fig. 1)。
Fig. 1. An example of neutrino events in SuperFGD [1].

References[1] “T2K experiment enters a new phase with significantly improved sensitivity for its world leading neutrino
oscillation research”, https://www.kek.jp/wp-content/uploads/2024/01/pr20240117T2K_en.pdf. Accessed January
19, 2024.

An algebraic approach to gravitational entropy
Center for Gravitational Physics and Quantum Information (CGPQI),
Yukawa Institute of Theoretical Physics, Kyoto University,
Kazuki Doi
Abstract We give an account of recent developments in algebraic quantum field theory and how its
techniques have been applied to study the operator algebras of black holes. We also touch on my previous
work on timelike entanglement entropy, a related concept thought to be relevant in understanding dS/CFT
holography.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

Entropies of gravitational systems have been a mystery for quite some time. Ever since Bekenstein introduced thenotion of viewing black holes as thermodynamic objects roughly fifty years ago, we have only had limited
progress in understanding what gravitational entropy of causal horizons really means and how the following
expression for the generalized entropy works and can be more or less “derived” in generality. We havewhere the first term is the entropy associated to the horizon and the second term Sout is the ordinary entropy ofmatter/radiation outside the horizon. We now know that Sout should be correctly interpreted as the entanglement
entropy, which is a measure of quantum entanglement between the horizon interior and exterior, and that theinclusion of gravity somehow regulates the equation to be finite as the ultraviolet divergent quantum corrections
to both terms somehow cancels out. Obviously, the naïve information theoretic construction of density matrices
and entanglement entropy for finite-dimensional factorizable Hilbert spaces does not work for a multitude ofreasons. Our systems of interest do not even feature factorizable Hilbert spaces, and even if they could befactorized, the usual definition of density matrices does not naturally extend to infinite dimensions.
Algebraic quantum field theory provides us with a framework in which an alternative formulation of entropy
becomes possible (for some systems) by shifting our attention to bounded operators, i.e. von Neumann algebras,that act on Hilbert spaces, rather than looking at spaces themselves and their states. In recent years, von Neumann
algebras of gravitational systems such as de Sitter space and black holes in asymptotically anti-de Sitter spacehave been explored by the likes of Witten, Chandrasekaran, Penington, and others [1,2]. Algebraic quantum field
theory is the cornerstone for understanding how information theory should properly be developed on a spacetime.
In this thesis, we first review the mathematical tools that are relevant and necessary in understanding the current
status of algebraic quantum field theory. A particular emphasis is placed on the physical motivation of von
Neumann algebras. We then demonstrate how the developed machinery is applied to physical systems byreviewing the works by Witten and others. Finally, we introduce our work on the timelike entanglement entropy[3], which we believe is important in understanding de Sitter entropy from a holographic perspective.
References[1] E. Witten, “Gravity and the crossed product,” JHEP 10 (2022) 008.
[2] V. Chandrasekaran, R. Longo, G. Penington, and E. Witten, “An algebra of observables for de Sitter space,”
JHEP 02 (2023) 082.
[3] K. Doi, J. Harper, A. Mollabashi, T. Takayanagi, and Y. Taki, “Timelike entanglement entropy,” JHEP 05(2023) 052.

SU(3)格子ＱＣＤを用いた Dimensional Reduction
ゲージにおけるＱＣＤの低次元的性質の解析
原子核理論研究室

當銘啓

Abstract We propose a new gauge fixing of "dimensional reduction (DR) gauge" and investigate its
properties using analytic arguments and SU(3) lattice QCD calculations. In the DR gauge, only
two-dimensional gluons are found to be responsible to quark confinement, and 4D QCD can be described
as an ensemble of interacting many 2D QCD-like systems.
© 2023 Department of Physics, Kyoto University

クォークの閉じ込めは、クォーク間の線形ポテンシャルで特徴づけられ、それにはカラー電束が 1 次元的に絞られた「フラックス・チューブの形成」が本質的に重要と考えられている。1 次元的なフラック
ス・チューブ形成は、4D QCD における「低次元化」の可能性を示唆しており、この「低次元的性質」
を浮き彫りにする目的で、我々は「Dimensional Reduction (DR) ゲージ」という新しいゲージ固定を考案した [1]。DR ゲージは𝑅DR ≡ ∫ 𝑑4 𝑠 Tr 𝐴2𝑥 𝑠 + 𝐴2𝑦 𝑠(1)を最小にするゲージと定義する。
この DR ゲージでは、ゲージ関数がΩ(t,z)の場合の（2D QCD と同じ）ゲージ
対称性が残留し、従って DR ゲージの 4D QCD は 2D
QCD と類似のゲージ系になると期待される。
本研究では、解析的議論と SU(3)格子 QCD 計算[β=6.0(格子間隔 a≒0.1 fm), クエンチ, 格子サイズ 244]を用いて DR ゲージの性質を調べ、以下のような結論を得た。
Fig. 1: Quark potential in lattice QCD in the1) DR ゲージではグルーオン場の x,y 方向成分 Ax , Ay が抑制 DR gauge with tz-projection of Ax,y = 0.
されるので、それらを格子 QCD 配位から取り除く「tz-射影」

𝐴𝑥,𝑦 → 0(2)を考え、それによりクォーク間ポテンシャルがどのような影響を受けるかを SU(3)格子 QCD 計算で調べた。その結果、Fig. 1 のように DR ゲージではクォーク間ポテンシャルがtz-射影で変化せず、グルーオン場の 2 次元的成分のみによって再現されることが分かった。これは「長距離の物理量が 2
次元的な自由度のみで再現できる」という可能性を示唆する。
2) 解析的議論からは、DR ゲージで tz-射影した 4D QCD は、「近接相互作用をする 2D QCD の類似系のアンサンブル」という Fig. 2 のような描像が得られる。
3) この描像に現れる 2D QCD 類似系間の相関を格子 QCD を
Fig. 2. A schematic diagram of 4D QCD in the
用いて調べた。2D QCD 系間には exp(-mr) [m≒0.6GeV]といDR gauge, of which structure is approximatedう指数関数的に減衰する相関が見られ、従って 2D QCD 系
to be interacting many 2D QCD systems.
間の相関長はξ:= 1/m≒0.3fm という結果が得られた。
4)このξ≒0.3fm 以上で 2D QCD 系間の相関がθ関数的に切れるという非常に大まかな近似の下では、
4D QCD が「結合定数が g2 := gm の 2D QCD 系」のアンサンブルとして記述できる可能性を指摘した。
[1] 當銘啓、菅沼秀夫「Dimensional Reduction Gauge and Confinement Analysis in SU(3) Lattice QCD」
日本物理学会 第 78 回年次大会, 東北大学, 口頭発表 および 概要集 (2023) .

降着型パルサーにおける
軟 X 線超過と低電離鉄輝線の系統的なスペクトル解析
宇宙線研究室永井悠太郎

Abstract Some X-ray spectra of accretion-powered pulsars exhibit the so-called soft X-ray excess andlow-ionized iron line, in addition to the continuum emission. The emission location of these components
is still under debate. Here we performed a systematic X-ray analysis of accretion-powered pulsars andinvestigated the emission locations of these components.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近接連星では進化の過程で星風などにより質量輸送が生じる．この仕組みの解明は重力波イベントを起こす連星への進化の理解にも関わり，重要性は増している．ここで，降着型パルサー(Fig 1)はこれを調べるのに適した天体である．この天体では星風やロッ
シュローブオーバーフローにより中性子星
Fig 1. Image of accretion-powered X-ray pulsars
が質量降着を受け，X 線で明るく輝くため，
スペクトルや光度曲線からは質量降着や輸送に関する情報を得ることができる．例えば，多くの降着型
パルサーで観測される低電離の鉄輝線(〜6.4 keV)からは，輝線の広がりや中心エネルギーを用いて放射場所の運動速度や温度，電離状態などを推定でき，降着機構の解明に対する強力な診断ツールとなる．
これに加えて，いくつかのパルサーでは, 温度 0.1 keV ほどの黒体放射で近似できる軟 X 線超過が存在することが知られている．しかし，2000 年代に ASCA 衛星などを用いた研究[1]が行われて以降は，この成分の系統的な研究は行われておらず，その起源は決着がついていない．この低電離の鉄輝線と軟 X 線
超過の 2 つの放射成分は, 星風による成分を別にすれば，パルサーの磁極付近にある降着円筒からの強力な X 線がその周辺環境を照らした再放射というのが,一つの有力な仮説である．しかし，放射場所には複数の候補があり, パルサー近くの降着円盤の内縁や，降着流といったアルフベン球の付近, パルサ
ーから遠方の星風の寄与も考えられ，これまでに統一的な描像は確立していない.
そこで本研究では，鉄輝線と軟 X 線超過の放射場所や放射機構を調べるため，複数の降着型パルサー
で両成分の比較研究を系統的に行った．2017 年に国際宇宙ステーション(ISS)に搭載された X 線望遠鏡
NICER は，約 1.5 keV で史上最大の有効面積(1900 cm2)を持ち，軟 X 線超過の検出に最適な観測装置となる．また，6 keV で CCD カメラと同程度のエネルギー分解能(〜130 eV)をもつため，低電離の鉄輝線の観測にも十分な成果を期待できる．さらに，X 線衛星 Suzaku および XMM-Newton も加え，37 天体の降着型パルサーのアーカイブデータから広帯域 X 線スペクトルを系統的に解析した. このスペクトル解析
から，星間吸収の小さな 19 天体で軟 X 線超過を検出でき，23 天体から鉄輝線を検出できた．そして， 10
天体で両成分が検出できた. 軟 X 線超過のスペクトルは黒体放射でよく近似でき，その放射半径を推定できる。鉄輝線は有意な広がりを持つ天体も多いことから，輝線幅を降着円盤のケプラー回転によるドップラー広がりと解釈した場合に，中心天体からの距離を算出できる．この軟 X 線超過の半径と，ドップラー回転地点の半径を比較すると，ロッシュローブオーバーフローで円盤が形成されるタイプの多くの天体では，両成分が中心天体から同一の距離から放射されていると考えて矛盾ない結果が得られた．
一方で，星風降着によって質量輸送が行われる天体では鉄輝線が軟 X 線超過に比べて非常に離れた星風などで放射されているという描像に合致する．2023 年に打ち上がった精密 X 線分光衛星 XRISM は鉄輝線のスペクトル分光で過去最高性能を実現でき，本研究を発展させ，さらに詳細な結果が得られると期待される．
References[1] R. C. Hickox et al., ApJ, 614, 881-896 (2004).

J-PARC E16 実験におけるRAM機能を用いたDAQシステムの改良
原子核・ハドロン物理学研究室

長房俊之介

Abstract
The systematic measurement of vector meson masses is being performed in the J-PARC E16 experiment.
A data buffering system using the RAM was implemented for the bottleneck of the E16 DAQ system, thewaveform digitizer of the GEM Tracker The DAQ efficiency was found to be greatly improved by threetimes.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ハドロンの質量の大部分はカイラル対称性の自発的破れとそれに伴うクォーク凝縮により発生すると考えられている。このカイラル対称性は有限温度、有限密度環境下で回復し、対称性の秩序変数であるクォーク凝縮量が減少することによってハドロンの質量が減少すると期待される。クォーク凝縮
量は直接観測出来ないが、QCD和則の方法により質量分布の積分値という観測可能な物理量と結びつけられる[1]。
J-PARC E16実験では大強度陽子加速器施設J-PARCの高運動量陽子ビームを原子核に照射して生成されたベクター中間子の電子陽電子対への崩壊を測定する。これにより、原子核中でのベクター中間子の質量スペクトルとその変化を測定する[2]。原子核中という有限密度環境下でのベクター中間子の質量を測定し、真空中の質量からの変化を測定することでハドロンとクォーク凝縮の関係を調べる事が出来る。先行研究であるKEK-PS E325実験では原子核中のφ中間子の質量ピークに有意な変化を認めた[3]。E16実験ではE325実験の30倍の統計量、2倍の質量分解能でデータ取得を行い、核物質中のベク
ター中間子の質量変化について系統的な情報を得る事で、質量変化についての確定的な情報を得ることを目指す。
2021年に行われたコミッショニングランでのデータ取得でDAQ効率が15%と非常に低い値に留まる事が判明していた。高運動量ビームラインのビームに周期的な時間構造が存在し、これによりトリガー
レートの瞬間的な増加が起こる事に起因することが分かっている。このビームの時間構造の改善策が加速器グループにより実施・検討されているが、実験グループ側の改善策としてDAQ性能の向上を図り
DAQ効率を回復する計画を立てた。
E16実験の目指す高統計のデータ取得のため、高い係数率耐性のある飛跡検出器、GEM Trackerを用いる。E16実験のDAQのボトルネックとなっていたのはこのGEM Trackerに用いる波形デジタイザのネッ
トワーク転送部である。本研究ではこの波形デジタイザのRAM機能を用いたデータバッファリングシス
テムの実装によりデータ転送の平滑化によるボトルネックの解消を行った。また、当システムおよびE16実験のDAQシステム全体の性能評価を行った。性能評価の結果この開発による物理データ取得時のDAQ効率が3倍程度改善されることが分かった。
References[1] T. Hatsuda and S.H. Lee. Phys. Rev. C 46, R34 (1992).
[2] S.Yokkaichi et al. J-PARC E16 proposal (2006).
[3] R.Muto et al. Phys. Rev. Lett. 98, 042501(2007).

TA 実験および TALE 実験による高エネルギー宇宙線の到来方向大角度異方性探査
宇宙線研究室難波宏樹

Abstract Utilizing the TA (Telescope Array) experiment and the TALE (Telescope Array Low energy
Extension) experiment, we investigated large-angle anisotropies of arrival directions from the “2nd knee”
to the “ankle” where the origin of cosmic rays is thought to transition from galactic to extragalactic
sources.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

宇宙線は V.F. Hess による発見以来 100 年を超える歴史を持つが、高エネルギー宇宙線については到来数の少なさから未だに起源、組成、加速機構ともに謎である。これまでの観測から得られたエネルギー
スペクトルによると 1015.5 eV 付近に「ニー」、1017 eV 付近に「セカンドニー」、 1018.5 eV 付近に「アンクル」と呼ばれるスペクトルの折れ曲がりがあることがわかっている。この折れ曲がりは宇宙線の起源が銀河系内から銀河系外へ遷移し、発生源の物理が変化することによるものであるとするのが現在の定説であるが、確証は得られていない。高エネルギーでは、近年の南半球の先行研究により、8 EeV（8×1018eV）以上で銀河系外起源を強く示唆する結果が得られている[1]。しかし、PeV（1015 eV）から EeV（1018eV）、最高エネルギーにかけて宇宙線の起源やその遷移は明らかではない。我々はセカンドニー以上の到来数の少ない高エネルギー宇宙線を観測するために、アメリカのユタ州で広大な検出面積を持つ TA(Telescope Array) 実験およびその低エネルギー拡張実験計画である TALE (Telescope Array Low energy
Extension) 実験を稼働して観測を続けている。TALE 実験では、約 21 km2 のサイトに 400 m または 600 m
間隔で 78 台の地表粒子検出器を設置し、10 基の大気蛍光望遠鏡とのハイブリッド観測を行っている。
TA 実験では、約 700 km2 のサイトに 1.2 km 間隔で 507 台の地表粒子検出器を設置し、38 基の大気蛍光望遠鏡とのハイブリッド観測を行っている。
本研究では、地表粒子検出器から得られたTA
実験14年、TALE実験3年のデータをもとに、およそ100 PeVから100 EeVの高エネルギー領域において北半球ではじめて統一的に大角度異方性探査を行った。それぞれのエネルギー範囲における
大角度異方性解析を行い、解析手法や大気による系統的な影響を見積もった。図1は、エネルギーに対する双極子振幅であり、矢印で99%上限値を表している。また、残差解析、レイリー解析、東
西解析における結果を示しており、解析手法による系統誤差は誤差の範囲内で一致していることを確かめた。概ね10%以下の振幅であることがわ
かり、最高エネルギーでは振幅が上昇している傾向も確認した。さらに8 EeV以上の高エネルギー領域では、銀河系内から離れた方向に位相が遷移している傾向が見られ、北半球においてもEeV以上で起源が系外へ遷移する説と矛盾はないことを確かめた。

Fig. 1. Dipole amplitude projected onto
the equatorial plane.

References[1] Pierre Auger Collaboration, A. Aab et al, Observation of a Large-scale Anisotropy in the Arrival Directions of
Cosmic Rays above 8×1018 eV, Science357(2017)

反対称化分子動力学法及び陽子拘束を用いた
12
Be の励起状態の構造研究
原子核理論研究室

長谷川稜

Abstract We investigated the structure of 12Be using a constrained antisymmetrized molecular dynamics
method with proton constraints. We identified four states for both positive and negative parity. Aligning
six states with prior research, we obtained new insight into the internal structure of one state.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

1980 年代以降、実験技術の向上に伴い、中性子過剰核の研究が理論・実験の両面から行われてきた。
中性子過剰核には、それまで知られていた安定核とは異なるいくつかの興味深い性質がある。その 1 つに、魔法数の破れがある。魔法数とは核子数が特定の数であるときに原子核が安定性を示すという性質
で、安定核ではこの性質が広く認められていた。この魔法数の 1 つである N = 20 が破れていることが判明してから、他の魔法数の破れの有無を調べる研究が進められている[1]。
12
魔法数が破れていることが知られている原子核の 1 つに 12Be がある。
Be の中性子数は 8 であるが、N = 8 の魔法数が破れており、他の isotone に比べて励起エネルギーが小さいことが分かっている[2,3]。また、陽子数が 4 の倍数の原子核は、その構造が複数のサブユニットに別れるクラスター構造が発達しやすいことが知られているが、陽子数が4 である 12Be もまた、発達したクラスター構造を持つ。12Be の場合は 2 つのサブユニットが α 粒子を基本とする α クラスター構造を持つ。
12
Be の構造については理論・実験の両面で、いくつかの研究が行われてきた。これらの研究では low
energy 状態は様々な研究で共通の見解が得られている。一方で、high energy の励起状態は研究によって見解が異なる、その内部構造が詳しく調べられていないなどの課題も残されている。
そこで本研究では反対称化分子動力学法（AMD）および Taniguchi らが提案した配位の拘束方法[4]を 改 良 し た 手 法 を 用 い て 12Be の （ 特 に highenergy の）励起状態を研究した。結果として、正パリティ・負パリティにそれぞれ 4 つの状態を確認し、うち 6 つの状態について先行研究との対応が理解できた。そのうちの 1 つは先行研究では自然には得られていないものであった。
本論文では、魔法数の破れや 12Be のクラスター構
造についてのレビューを行う。さらに、先行研究で Fig.1. Above is the positive parity, and below is
行われた構造研究を詳しく紹介する。次いで今回用 the negative parity energy surface. Four states
いた AMD および陽子拘束の定式化を行い、結果と were obtained for each.
して得られた状態について議論を行う。
References[1] O. Sorlin and M.-G. Porquet, Prog.Part.Nucl.Phys.61:602-673,2008[2] S. Shimoura et al, Phys.Lett.B 654 (2007) 87-91[3] H. Iwasaki et al, Phys.Lett.B 491 (2000) 8-14
[4] Y. Taniguchi, M. Kimura, and H. Horiuchi, Prog. Theor. Phys. 112, 475 (2004)

ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索に向けた
高圧 Xe ガス TPC AXEL の電離信号読み出し面の改良
高エネルギー物理学研究室

疋田純也

Abstract AXEL experiment aims to search for neutrinoless double beta decay from 136Xe using a xenon
gas TPC. We are developing a special readout system of ionized electrons to achieve high energy
resolution. To improve the readout system, we have evaluated the characteristics of large-area MPPC andproduced discharge-resistive structures.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ニュートリノ振動の発見によりニュートリノは質量を持つことが明らかになったが、その質量は不自然なほどに軽い。ニュートリノが自身の反粒子と同一視できるマヨラナ粒子である場合には、この問題を解決できると同時に、現在の宇宙の物質反物質非対称性を説明できる可能性がある。ニュートリノの
マヨラナ性は、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊(0𝜈𝛽𝛽)を観測することで実証でき、観測のためには大量の二重ベータ崩壊核を用いて低背景事象かつ高エネルギー分解能で測定を行う必要がある。
AXEL実験は、上記の条件を満たす高圧XeガスTPCを用いた0𝜈𝛽𝛽探索実験である。検出器の電離信号読み出し面であるELCCは複数のセルを持っており、各セルにドリフト電場よりも強い電場を印加することで、電離電子をセルに引き込み加速する。加速された電子は、エレクトロルミネセンス(EL)過程を起こし、光子を発生させる。EL過程は増幅揺らぎが小さいため、発生した光子をMPPCで検出することにより高い分解能でエネルギーを測定できる。
AXEL実験では、0𝜈𝛽𝛽のQ値において0.5 %半値全幅のエネルギー分解能を目標に開発を進めているが、まだ達成できていない。その原因として、EL光の統計揺らぎがある。そこで、AXEL実験ではEL光の検出効率を高めるために、受光面積を大きくしたMPPCを開発し、本研究ではその性能評価を行なった。
その結果、ゲインや光子検出効率が現在使用しているMPPCと誤差の範囲で一致すること、およびダー
クカレントによるエネルギー分解能への影響は目標値に比べて二桁以上小さいことを確認できたため、AXEL実験での使用条件を満たしていると判断した。
EL光の光量が増加すると、MPPCの非線形性が大きくなり、エネルギー分解能に影響を与える可能性がある。本研究では、非線形性を抑制する方法を探索するために、受光面積サイズやピクセルピッチ、
信号読み出し抵抗の値を変えて大光量下におけるMPPCの応答を測定した。それぞれの条件で得られた結果を比較したところ、信号読み出し抵抗の値を下げることで、光量が増加した場合でも現在と同程度の非線形性に抑制できることを確認した。
また、これまでELCCにおける沿面放電により、目標電圧の12 kVを安定して印加できないことが問題になっていた。本研究では沿面放電を対策したELCCとして、高抵抗電極ELCCと十字蓋型ELCCを製作した。それぞれについて放電耐性を試験した結果、前者では期待していたほどの放電耐性は確認できなかったが、後者では空気中で目標電圧近くまで電圧を印加することに成功した。その一方で、高抵抗電極ELCCでは放電痕が残ることから、放電経路を詳細に観測することができ、今後の開発にとって重要な知見を得ることができた。
高抵抗電極ELCCについて、エネルギー分解能への影響を評価した。180L試作機での測定の結果、1461 keVにおいて(0.96±0.10) %のエネルギー分解能を得た。この結果を測定条件の違いを差し引いた上で先行研究[1]と比較したところ誤差の範囲で一致したため、高抵抗電極によるエネルギー分解能への影
響は小さいと考えられることを確認した。
このように、本研究ではELCCの改良に向けて様々な項目について性能評価を行った。今後は本研究で得られた知見を活かし、次期検出器におけるELCCの製作に向けて、更なる改良を行なっていく計画
である。
Reference[1]M.Yoshida et al., Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2024(1), 013H01 (2024)

重力崩壊型超新星の上限質量制限に向けた
超新星残骸 G359.0-0.9 の観測研究
宇宙線研究室松永海

Abstract Stellar nucleosynthesis processes affect the possibility of a core-collapse supernova
explosion. We found the elemental composition of a supernova remnant G359.0-0.9 can be explained byshell-merger processes. The stellar processes allow even super-massive stars above 20 solar masses to
explode.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

10 太陽質量以上の大質量星は、その進化の最後に重力崩壊型の超新星爆発を起こすと考えられている。理論的には約 20 太陽質量以下の大質量星は中性子星を残して爆発する一方、それ以上の超大質量星は爆発せずにブラックホールに崩壊するとされる。しかし観測的には超大質量星の爆発を示唆する研究もあり、超新星を起こす星の「上限質量」は確定していない。近年の理論研究は星が爆発する/しないという爆発可能性は、重力崩壊直前の星中心付近の密度構造によって決まることを示唆するが[1]、星内部の密度構造を観測から直接制限することはできない。そこで本研究では、密度を決定する恒星内元
素合成過程に着目した。特に Ne や Mg の生成過程は爆発可能性に大きく影響し、これらの元素組成は超新星爆発の痕に残る超新星残骸の X 線観測によって測定可能である。観測例として、Ne に対して Mg の輝線が強い"Mg-rich 超新星残骸"が 2 例報告されており[2][3]、我々はこれらの燃焼過程が親星によって大きく異なることを予想した。
本研究では XMM-Newton 衛星を用いて超新星残骸 G359.0-0.9 の観測を行い、高い Mg/Ne 比(= 1.9 solar)を検出し、3 例目の Mg-rich 超新星残骸であることを発見した。その成因を恒星進化モデル[4]を用いて探ると、限られた質量範囲の星で起きる燃焼殻融合[5]によって説明できることがわかった。これは恒星進
化段階において通常なら層状に分離している燃焼殻が、対流などの作用によって融合する現象であり、観測的に示されたのは本研究が初である。恒星進化モデルと観測結果を比較するために超新星元素合成計算を実施し、その結果 G359.0-0.9 の親星の初期質量は 15 太Matsunaga, et al., in prep. 2024
陽質量以下であると制限した。恒星進化モデ
ル解析によって得られた重要な知見として、
本来爆発しにくい超大質量星であっても燃焼 Fig. 1 Parameter distribution of Mg/Ne and Si/Mg expected
殻融合を経れば爆発可能で、その場合 Si/Mg from stellar models [4] and obtained from previous observations
比と Mg/Ne 比の高い残骸を形成することがわ of SNRs (green squares). The colored and gray circles represent
かった。このような残骸を今年度打ち上がっ explosion and implosion cases, respectively. The result of
た XRISM 衛星で観測し、親星質量とよく相関 G359.0-0.9 is shown by the red cross. The gray dashed lines
する Fe/O 比[6]を測定すれば、その起源が超 represent the solar values. The numbers correspond to the targets大質量星であるかどうかを検証できる。この as references in my thesis.
手法により、超新星残骸観測による上限質量制限が可能になる。
References[1] Ertl, T., et al., 2020, ApJ, 890, 51,[2] Park, S., & Bhalerao, J. 2017, ApJ, 834, 189[3] Williams, B. J., et al., 2015, ApJL, 808, L19[4] Sukhbold, T., et al., 2018, ApJ, 860, 93[5] Yadav, N., et al., 2020, ApJ, 890, 94[6] Katsuda, S., et al., 2018, ApJ, 863, 127

弦理論による Species Bound の検証
基礎物理学研究所 宇宙グループ 道信祐吏
Abstract In this thesis, we show for 5D and 4D extremal black holes in string theory that the species
bound, one of the swampland conjectures, can be verified from the Bousso bound. As a byproduct, this
implies that the species scale determines the minimal Hawking temperature of the black hole.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

量子重力理論と整合的な低エネルギーの有効理論の集合にある隠れた規則を探求するのが沼地予想の目的である。近年、沼地予想の一つである species bound が大きな注目を集めている[1]。Species
bound は量子重力の効果が効いてくるカットオフスケールに関する予想である。量子重力が効いてくるとは、そこで重力が強結合になり、摂動論的な記述が破綻することを意味する。従って、素朴に
Einstein 理論を考えれば、量子重力のカットオフは Planck スケールで与えられる。しかし、Dvali は、重力理論と膨大な数の非常に軽い粒子が結合した系ではそれらが重力理論に補正を加え、Planck スケールよりも小さい species scale で与えられると考えたのである。
Species bound の検証とは、本当に量子重力理論において species という概念が存在するのか、そして存在するならばそれはどのような物理的な意味を持つのかを真に明らかにするということである。その検証方法には摂動論的な方法と非摂動論的な方法の二つがある。摂動論的な検証は、弦理論の低エネルギーの有効作用の高階微分補正を調べることにより行われ、非常によく整備されている。一方、非摂動論的な検証では様々な方法が提案されているが、それぞれのつながりは十分には理解されていない。このような状況にあるのは、そもそも非摂動論的な species scale が明確に定義されていないためである。
非摂動論的な検証の一つであるブラックホールを用いた検証は主に Bousso bound を念頭において行
われる。Bousso bound を species number に適用することの妥当性は多くの議論で確かめられている。しかし、これまでの検証では、最も小さいブラックホールが bound を saturate することを仮定して議論されていた[2,3]。その仮定は必ずしも必要ではないため、従来とは異なる検証方法を案出するのが有用である。
そこで、本論文ではそのような仮定を課すことなく、Bousso bound だけから species bound が成り立つことを 5 次元と 4 次元の extremal ブラックホール[4,5]に対して示した。また、これに伴って、これまでとは異なる species scale (正確には粒子の数を表す species number)の定義も提案した。この定義はブラックホールの微視的な理論から自然に定まるため、多くのブラックホール解に普遍的に適用できる。このとき、near-extremal ブラックホールの最小 Hawking 温度[6]が species scale だけから決まることも分かった。
References[1] G. Dvali, Black Holes and Large N Species Solution to the Hierarchy Problem, Fortsch. Phys. 58 (2010) 528–
536, arXiv:0706.2050 [hep-th].
[2] D. van de Heisteeg, C. Vafa, M. Wiesner, and D. H. Wu, Moduli-dependent Species Scale, arXiv:2212.06841[hep-th].
[3] N. Cribiori, D. Lüst, and G. Staudt, Black hole entropy and moduli-dependent species scale, Phys. Lett. B 844(2023) 138113, arXiv:2212.10286 [hep-th].
[4] C. G. Callan and J. M. Maldacena, D-brane approach to black hole quantum mechanics, Nucl. Phys. B 472(1996) 591–610, arXiv:hep-th/9602043.
[5] J. M. Maldacena and A. Strominger, Statistical entropy of four-dimensional extremal black holes, Phys. Rev.
Lett. 77 (1996) 428–429, arXiv:hep-th/9603060.
[6] J. Preskill, P. Schwarz, A. D. Shapere, S. Trivedi, and F. Wilczek, Limitations on the statistical description of
black holes, Mod. Phys. Lett. A 6 (1991) 2353–2362.

宇宙の大規模構造の観測から探る原始密度ゆらぎの統計的
非等方性：銀河の固有形状を組み合わせた検出精度向上の可能性
天体核研究室湊恵太

Abstract While homogeneity and isotropy are fundamental principles in modern cosmology, CMB
anomalies imply a violation of these principles. To investigate deviations in isotropy within the largescale structure of the universe, we leverage the intrinsic shapes of galaxies. Through Fisher analysis, we
examined the precision of parameter estimation.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

現在標準的な宇宙モデルであるΛCDM モデルでは、宇宙の統計的一様・等方性（宇宙原理）に基づく
フリードマン宇宙モデルをもとに宇宙膨張を記述する。また、観測される密度ゆらぎについても、宇宙原理をもとに一様・等方性を仮定してその形成・進化を記述する。ただ、その妥当性については検証が必要である。
宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の観測によると、CMB の温度ゆらぎのデータの中に、宇宙原理の綻びを示唆する CMB アノマリと呼ばれる観測シグナルが複数発見されている。その中のひとつに、南天・北天の非対称性がある。これは天球面を 2 つの領域に分け、それぞれで温度ゆらぎの相関を測定した場合、北天においては南天よりも相関が小さくなるというアノマリであり、その統計的有意性は 2-3σ程度と言われている[1]。このようなアノマリは、温度ゆらぎに双極的な非等方性があることを意味し、原始密度ゆらぎにもそうした非等方性が存在していることを示唆している。このシグナルを一様・等方性を仮定する標準宇宙モデルのみから説明することは難しく、もしその存在が確証されると、標準宇宙モデルの綻びとして、原始ゆらぎの起源・生成に関する重要な示唆を与え、初期宇宙のインフレーションモデ
ルを峻別する手がかりにもなる。したがって、今後も観測からこれらのアノマリを調べ、その原因を追究していくことが宇宙論において重要となる。ところが、宇宙マイクロ波背景放射の観測はこれまでに高い精度で行われており、その誤差はすでに、観測できる宇宙がひとつしかないことに由来するコスミ
ックバリアンスに近づいている。そのため、これ以上観測精度を改善したとしても統計精度を挙げた検証を行うことは難しい。
本研究では、宇宙の構造形成を通じて宇宙マイクロ波背景放射と密接に関係する、宇宙の大規模構造の観測を使って、原始密度ゆらぎのアノマリ（双極的非等方性）を検証する手段を考える。文献[2]では、フィッシャー解析にもとづき、銀河サーベイから得られる銀河の 3 次元分布から原始ゆらぎの双極的および四重極的な非等方性の検出精度を評価している。その結果、将来の銀河サーベイ観測では、従来の銀河サーベイ観測に比べて非等方性の振幅の決定精度が 2-3 倍改善されることが示された。本修士論文
では、銀河の 3 次元分布に加えて、さらに個々の銀河がもつ形状・向きの相関情報を取り入れることで、非等方性の振幅に対する推定がどれだけ改善するか、定量的な考察を行った。双極的非等方性に特に焦点をあて、銀河の固有形状・向きの観測情報を加えてフィッシャー解析を行なった結果、銀河の３次元分布だけでなく銀河の固有形状・向きを組み合わせることで、非等方性の振幅の推定精度が向上することが明らかになった。ただし、推定精度の改善は、スケール依存性の強さにあまり依らずに、銀河の３次元分布の観測情報のみを用いた場合に比べて 4％程度にとどまることが示された。また、銀河形状を解析に取り入れることによる非等方性の振幅の推定精度の改善度合いとバイアスパラメータの間の関係も調べ、その結果銀河バイアスが小さく形状バイアスの絶対値が大きい観測ほど銀河形状を解析に取り入れる恩恵が得られやすいことも明らかになった。
References[1] J. Schwarz et al., Class.Quant.Grav. 33 (2016) 18, 184001 (arXiv:1510.07929 [astro-ph.CO])[2] Shiraishi et al., Phys.Rev.D 95 (2017) 6, 063508 (arXiv:1612.02645 [astro-ph.CO])断熱進化によるコンパクトなボゾンスターの形成の可能性
天体核研究室宮内侑

Abstract We investigate the formation of compact boson stars, formed by self-gravitating scalar fields.
Focusing on adiabatic evolution, we introduce a scalar field influencing the compactness of boson stars.
We find that the adiabatic evolution of external field can lead to the growth of more compact boson stars.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ボゾンスターとは、スカラー場が自己重力によって形成される未知の天体である。例えば、クライン
ゴルドン方程式とアインシュタイン方程式の連立微分方程式の定常解が最も簡単なコンパクトなボゾ
ンスターの例である[1]。ここで、コンパクトネスと呼ばれる、その星の質量におけるシュワルツシルト半径をその星の半径で割った量が 1 のオーダーのとき、その天体はコンパクトであるとする。
ボゾンスターを構成するスカラー場として、例えばダークマターの候補の一つであるアクシオンが考えられている。このアクシオンは幅広い質量スケールが考えられており、したがって、これが構成する
ボゾンスターも恒星スケールから銀河スケールのものまで考えられる[2]。さらに、中性子星などのコンパクト天体と違って硬い表面を持たないことから、ブラックホール擬似天体と言われるホライズンを持たないコンパクト天体として、一般相対論におけるブラックホールとの区別を X 線や重力波による観測で試みる研究が多く行われている[3]。このように未知の天体であるコンパクトなボゾンスターは、
その存在そのものの検証だけでなく、ダークマターの候補となるスカラー場のパラメーターの制限や強い重力下における物理の検証など新しい物理につながることが期待できる。
このようにコンパクトなボゾンスターを用いた研究は多くなされている。しかし、これらの先行研究
はコンパクトなボゾンスターの存在を仮定したものであり、この形成シナリオはわかっていない。特に、非相対論的なボゾンスターはスカラー場の密度揺らぎの重力散乱によって生成されると考えられているが[4]、生成後もこの方法による成長が続くとすると[5]、宇宙年齢内にコンパクト天体として成長するのは不可能であることが示唆される。
本研究では、コンパクトなボゾンスターの形成過程のシナリオの 1 つとして、ボゾンスターの断熱進化に着目した。ボゾンスターを構成するスカラー場Φに加えて、ボゾンスターを構成するスカラー場のモデルパラメータを断熱的に変化させるバックグラウンド場としてスカラー場χを導入した。そして、系をボゾンスターの内側と、それを囲む外側の領域に分け、外側におけるバックグラウンド場χの時間変化がボゾンスターへのコンパクトネスに及ぼす影響を数値的に調べた。そのために、従来のアインシュタインークラインゴルドン方程式にスカラー場χを加え、これを数値的に解くことによってボゾンス
ターの定常解の系列を得た。特に、外側のバックグラウンド場の値は定常解の外側の境界条件とみなせ、断熱的な進化をこの境界条件の値の変化と考えることができる。そこで、この境界条件を変化させることによるボゾンスターの定常解の変化から、内側でのバックグラウンド場χやコンパクトネスの変化を追った。
その結果、外側のバックグラウンド場の断熱進化によって、ボゾンスターがよりコンパクトになる方向へ成長できることがわかり、宇宙年齢内にコンパクトなボゾンスターが形成されるモデルとなりうる
ことが示唆された。
References[1] D. J. Kaup, Phys. Rev. 172 (1968) 1331.
[2] L. Hui, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 59 (2021) 247 [2101.11735].
[3] S. L. Liebling and C. Palenzuela, Living Rev. Rel. 26 (2023) 1 [1202.5809].
[4] D. G. Levkov, A. G. Panin and I. I. Tkachev, Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 151301.
[5] J. H.-H. Chan, S. Sibiryakov and W. Xue, 2207.04057.

超伝導検出器 MKID の薄膜純度向上及び高感度化を目指した製作と性能評価
高エネルギー物理学研究室

武藤優真

Abstract MKID is a superconducting detector that has attracted much attention because of its advantages
such as simple multiplexing and fast time response. MKID sensitivity depends on fabrication procedures
and methods, and properties of the superconductor material. I fabricated MKIDs made of niobium andtantalum and evaluated their characterization.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

超伝導検出器の高い感度を活かし、暗黒物質探索や宇宙マイクロ波背景放射観測への応用が進んでいる。超伝導検出器の中でも MKID は、多重化の簡便性や時間応答の速さなどの利点により注目を集めている。MKID は超伝導膜で構成された共振器からなる検出器で、入射エネルギーによるクーパー対の崩壊
をインピーダンス変化として読み出す。MKID の感度は製作手順・方法と超伝導体材料の性質に大きく依存する。また MKID の主要なノイズに二準位系(TLS)ノイズというものがあり、これらは超伝導薄膜や誘電体基板のアモルファス構造に由来する。
MKID はシリコンなどの誘電体基板に超伝導薄膜を製膜し、パターンに沿って薄膜を削り取ることで共振器回路を形成することで製作される。高純度な薄膜を作製することで共振の Q 値の向上による感度向上や TLS ノイズの低減が期待できる。
MKID の高感度化及び TLS ノイズを低減するデザインの一つに、センサー部分と読み出し部分で異なる
超伝導体を用いるハイブリッド MKID というものがある[1]。本研究ではハイブリッド MKID の製作を見据え、ニオブ及びタンタルを超伝導体として用いた MKID をそれぞれ製作し、その性能評価を行った。性
能評価は主に転移温度測定、共振パラメータ測定、時系列データ取得によるノイズ測定の 3 測定をもとに行った。
ニオブを用いた MKID では、蒸着条件による Nb の純度向上と転移温度 7.9 K で O(105)の Q 値を持つ
MKID の作成に成功した。TLS ノイズの低減は依然として課題であり、いくつかの改善案を考察した。タ
ンタルを用いた MKID では、転移温度が約 0.5 K の MKID の作成に成功し、O(104)の Q 値を持つことを確認した。
またこれらを用いたハイブリッド MKID を製作した場合の期待される性能についても議論した。
例として CMB 地上観測実験である GroundBIRD 実験での利用を想定すると、ニオブについては TLS ノイズの影響が大きいため要求性能に満たないが、タンタルについてはハイブリッド MKID のセンサー部分
としての要求性能をおおむね満たしていることがわかった。

π
Figure 1: MKID in the sample holder for the evaluation

References[1] . M. J. Janssen, J. J. A. Baselmans, A. Endo, L. Ferrari, S. J. C. Yates, A. M. Baryshev, and T. M. Klapwijk. High
optical efﬁciency and photon noise limited sensitivity of microwave kinetic inductance detectors using phasereadout. Applied Physics Letters, Vol. 103, No. 20, p. 203503, 11 2013

ESPRI+実験に向けた GAGG(Ce)カロリメータの波形解析による粒子識別新手法の開発
原子核・ハドロン物理学研究室

矢野隆之

Abstract To determine the neutron skin thickness of 52Ca, which is important to constrain the symmetryenergy of the nuclear matter EoS, we plan to perform proton elastic scattering at RIBF. We havedeveloped a new telescope and a new particle identification method by pulse-shape analysis with
GAGG(Ce) calorimeter.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

核子無限系である核物質の状態方程式(EoS；Equation of State)の解明は現代の原子核物理分野の至上命題の一つである．EoS は核物質の最も基本的な物性を規定する基本式であり，中性子星の構造や超新星爆発のダイナミクスを決定づける重要な方程式でもあるため，宇宙物理学分野においても最重要課題として認識されている．アイソスピン非対称度𝛿の依存項である対称エネルギー項𝑆(𝜌)は中性子物質(𝛿 = 1)の理解において重要となるが，その密度𝜌の依存性は十分に理解されておらず，特に中性子星内部で実現されているとされる高密度領域において不定性が大きい．中性子過剰核で発達する中性子スキン構造は𝑆(𝜌)を反映したものである
ため，EoS 研究の良いプローブとなる．特に二重魔法核のスキン厚は𝑆(𝜌)の 1 次の𝜌依存項である傾きパラメー
タ𝐿との強い相関が示されており，我々は陽子弾性散乱実験から 208Pb，48Ca のスキン厚の直接決定を行い，𝐿に制限を付与してきた[1]．さらに本手法をよりアイソスピン非対称度の大きい不安定核領域へ拡張し，不安定核ビームを用いた逆運動学による 132Sn の陽子弾性散乱実験(Elastic Scattering of Protons with RI beams；ESPRI
実験)を世界で初めて成功させた[2]．しかし，これらの核種のスキン厚は0.2 fm程度と薄く，測定精度に限界があり，より高い精度での𝐿への制限が求められている．
そこで，52Ca 電荷半径の測定[3]や近傍の 51Ca の反応断面積の測定結果[4]から非常に厚いスキン厚(約0.4 fm)を持つことが示唆されている 52Ca に注目し，52Ca の逆運動学陽子弾性散乱精密実験(ESPRI+実験)を理
研 RIBF で計画している．しかし，RIBF における 52Ca のビーム強度は10 kcps以下であり，132Sn のビーム強度に比べて 1 桁以上小さい．このため，132Sn の陽子弾性散乱実験に用いた検出器群では精密な核子密度分布決定に必要な収量を実現できない．この問題を解決するために，GAGG(Ce)カロリメータと Si マイクロストリップ検出器から構成される大立体角を覆う新たな反跳陽子テレスコープの開発を進めている．この新規テレスコープの導入と水素標的の多層化によって必要なルミノシティが達成される見込みである．新反跳陽子テレスコープの基礎
設計は完成しており，励起エネルギー分解能Δ𝐸! < 600 keVと十分な収量の達成が Geant4 を使ったシミュレー
ションによって確認されている．
新テレスコープでは，大立体角を実現するために，水素標的近くに検出器が設置される．広い散乱角度領域のために測定する反跳陽子のエネルギー範囲は10 MeVから100 MeVに及ぶ．その結果，特に高エネルギー領域において，飛行時間やΔ𝐸-𝐸を使った従来手法による粒子識別が困難であることが予想される．そこで，我々は GAGG(Ce)結晶の発光波形の時間特性の粒子種依存性に注目した新たな粒子識別手法の開発を進めている．波形情報を使った粒子識別能力評価のデータ取得を目的として，大阪大学 核物理研究センター サイクロ
トロン実験施設において GAGG(Ce)カロリメータへの陽子，重陽子照射実験を行った．測定データからGAGG(Ce)カロリメータの応答の粒子種依存性を評価し，波形解析によって粒子識別が可能なことを示した．さらに，その識別能力の定量的な評価を行い，𝐸" = 50 MeVから130 MeVの領域において，𝐴𝑍 # で3𝜎以上の精度
で陽子，重陽子を分離できることを明らかにした．

References[1] H. Sakaguchi and J. Zenihiro, Prog. Part. Nucl. Phys 97, 1 (2017).
[2] J. Zenihiro et al., RIKEN Accel. Prog. Rep. 53, 54 (2019).
[3] R. F. Garcia et al., Nature Phys. 12, 594 (2016).
[4] M. Tanaka et al., Phys. Rev. Lett. 124, 102501 (2020).