平成２９年度
京都大学大学院理学研究科

Ｄ３発表会アブストラクト（平成３０年１月２２日）

物

理

学

第

二

分

野

Ｄ３ 発 表 会
日時

平成３０年１月２２日（月） ８時３０分～

場所

理学研究科５号館 ５２５号室

発表時間

１５分＋５分（質問）《目次》

1 . Probabilistic eccentricity evolution of stars
around shrinking massive black hole binaries

岩佐 真生（８：３０）

2 . Critical behavior of the matrix models generating 3D
random volumes

梅田 直弥（８：５０）

3 . Chiral Primordial Gravitational Waves Sourced by
Axion-Gauge Couplings

小幡 一平（９：１０）

4 . 理研RIBFにおける重イオン衝突実験で探る
高密度原子核物質の対称エネルギー金子 雅紀（９：３０）―
5 . Study of Acceptance Improvement for K0L→π0ννSearch上路 市訓（９：５０）

6 . The study on quantum field theories from numericalapproaches

川井 大輔（１０：１０）7.

't Hooft anomaly, global inconsistency,
and some of their applications

菊池 勇太（１０：３０）8 . 核ガンマ線イメージングスペクトロスコピーの開拓

岸本 哲朗（１０：５０）9 . ATLAS 実験における弱ボソン対に崩壊する共鳴状態のセミレプトニック終状態での探索

救仁郷 拓人 （１１：１０）

10 . Study of the neutrino mass hierarchy with theatmospheric neutrino data in Super-Kamiokande IV

江 淼（１１：３０）11 . Deformation of N =4 SYM with space-time dependent
couplings

崔 在旺（１１：５０）12 . 場の理論におけるエントロピーの数値計算法の開発とそれに基づく相対論的重イオン衝突での熱化機構の
解析

築地 秀和

（１２：４０）13 . 高強度レーザー照射による金属ワイヤー導波路上へのテラヘルツ表面波発生

寺本 研介（１３：００）14 . J—PARC KOTO実験におけるKL→π0νν崩壊探索の
背景事象の研究中桐 洸太（１３：２０）15 . ニュートリノ振動におけるニュートリノ反応モデルの系統誤差の評価と振動パラメータの精密測定

仲村 佳悟（１３：４０）16 . 加速膨張宇宙とブレーンワールドモデル

西 雅人（１４：００）17 . Black hole microstates with a new constituent

朴 敏奎（１４：２０）18 . Toward a precision cosmological test of gravity fromredshift-space bispectrum based on perturbation theory

橋本 一彦（１４：４０）午

後19 . 反ミューオンニュートリノと核子のパイ中間子の生成を伴わない荷電カレント反応断面積の測定

林野 竜也（１５：００）20 . Simulating Extreme Spacetimes on the Computer

FEDROW,（１５：２０）Joseph Mathew

21 . 超新星残骸γ-Cygniからのガンマ線放射の観測

増田 周（１５：４０）22 . Investigation of the Formation Process of Recombining
Plasmas in the Galactic Supernova Remnants with
Suzaku X-ray Observatory

松村 英晃（１６：００）23 . 連星中性子星合体GW170817はrプロセス元素の起源となりえるか?

松本 達矢（１６：２０）24 . Analysis of Λ(1405) based on chiral SU(3) dynamics

宮原 建太（１６：４０）25 . ΛcN interaction from lattice QCD
and its application to Λc hypernuclei

宮本 貴也（１７：００）26 . MAIKoアクティブ標的を用いた巨大双極子共鳴領域における4He光分解反応の断面積測定

村田 求基（１７：２０）27 . Role of axial anomaly and nesting in the inhomogeneouschiral phase吉池 遼（１７：４０）28 . Scrambling and Complexity in AdS/CFT and Black
Holes

渡邊 賢人

（１８：００）Probabilistic	
 eccentricity	
 evolution	
 of	
 stars	 	 around	 shrinking	 massive	 black	 hole	 binaries	
 天体核研究室	  	  岩佐真生	 Abstract Based on the secular perturbation theory, we study how shrinking massive black hole binaries
affect the orbital evolution of star clusters. We find that the eccentricity of stars could show the sharptransitions, depending on initial conditions.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University	  Massive black hole (MBH) binaries are considered to be formed after mergers of galaxies,

and are one of the most important targets for the laser interferometer space antenna (LISA). By
detecting gravitational waves from MBH binaries, we will be able to examine gravitational
theories in the strong field regime, in addition to astrophysical information related to galaxy
formation and evolution. Meanwhile, a MBH is expected to have associated star clusters. It has
been pointed out that the infall rates of stars would be significantly enhances for MBH binaries,
compared with single MBHs. The infalling stars also emit gravitational waves and electro
magnetic waves, and will work as key probes to study MBHs. Here, the Lidov-Kozai
mechanism may play an important role.
The Lidov-Kozai mechanism is a well-known process in celestial mechanics, and works forinclined hierarchical triple systems. In the present case, a MBH and a near by star form theinner binary and the secondary MBH is the outer perturber. In the Lidov-Kozai mechanism, theinclination and the inner eccentricity oscillate due to the exchange of angular momenta between
the inner and outer orbits. We call this the Lidov-Kozai mechanism. In some cases, the inner
eccentricity of the star can be excited to ~ 1, and stars can closely approach MBHs.
The Lidov-Kozai mechanism is caused by the tidal force of the outer perturber, and theresultant inner apsidal precession is crucially important. But, non-Keplerian potentials can
suppress the Lidov-Kozai mechanism by generating additional apsidal precessions. Therefore, if
the outer body is far away, and the apsidal precession is dominated by other non-Keplerianpotentials, the inner eccentricity could not be amplified appreciably.
For our hierarchical triple systems involving MBH binaries, general relativistic corrections
and the potential of nuclear star clusters around each MBH correspond to such non-Keplerianpotentials. In the long run, the distance between two MBHs will shrink due to dissipative effects
such as dynamical friction, scattering of stars and gravitational wave emissions. Therefore,
though initially suppressed, the Lidov-Kozai mechanism could be gradually effective,competing with other non-Keplerian potentials. However, this transition has not been
investigated adequately.
In my talk, we examine how the "slow" contraction of the outer massive black hole affects
the star cluster. Based on the secular theory, we find that the eccentricities of the stars could
show sharp transitions, depending strongly on their initial conditions. By examining thephase-space structure of an associated Hamiltonian, we show that these characteristic behaviors
are partly due to a probabilistic bifurcation at a separatrix crossing.
References[1] Mao Iwasa & Naoki Seto, 2017, MNRAS, 472, 1600.
[2] Mao Iwasa & Naoki Seto, 2016, Phys Rev D, 93, 124024.

Critical behavior of the matrix models
generating 3D random volumes
素粒子論研究室

梅田直弥

Abstract We propose a new class of models that generate three-dimensional random volumes, where
each configuration consists of triangles glued together along multiple hinges. The models have the sign
problem for numerical study, and we develop the generalized Lefschetz thimble method by implementing
the parallel tempering algorithm.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

The worldvolume theory of membrane is mathematically equivalent to three-dimensional quantum
gravity coupled to matter fields corresponding to the target space coordinates of embedded
membrane. We propose a class of models, "triangle-hinge models", that generate three-dimensionalrandom volumes, where each configuration consists of triangles glued together along multiple
hinges [1]. Although most of the diagrams represent configurations which are not manifolds, weshow that the set of possible diagrams can be drastically reduced such that only (and all ofthe) three-dimensional manifolds with tetrahedral decompositions appear, by introducing a color
structure and taking an appropriate large-N limit. We further introduce matter degrees of freedom
to the models by coloring simplices in a way that they have local interactions [2]. We also define
unoriented membrane theories in terms of tetrahedral decompositions, and then realize them as
triangle-hinge models [3].
Triangle-hinge models can be redefined so that they give finite free energies without changing
the original perturbation series. We study the phase structure of the models numerically, but
the restriction of the diagrams to tetrahedral decompositions makes the action complex-valued,
and the complexified model suffers from the sign problem in the large-N limit. We use thegeneralized Lefschetz thimble method [4], which is one of the promising methods to solve thesign problem. However, this method is known to suffer from a multimodal problem, and thus we
improve it by implementing the parallel tempering method, where the flow time of an
antiholomorphic gradient flow is used as a tempering parameter [5]. We then study the phasestructure of the complexified triangle-hinge model. Our parallel tempering algorithm works well,
but it turns out that a large amount of computational cost is still required to make a definite
statement on the phase structure of the model.
In order to reduce the computational cost, it is generally important to carefully choose theset of tempering parameters. We define for a given Markov chain Monte Carlo algorithm a distance
between two configurations that quantifies the difficulty of transition in the configuration
space [6]. The distance enables us to make the above adjustment in a geometrical way. We also
argue that an anti-de Sitter-like geometry naturally emerges when we consider highly multimodal
action with a large number of degenerate vacua.
References[1] M. Fukuma, S. Sugishita and N. Umeda, JHEP 1507 (2015) 088[2] M. Fukuma, S. Sugishita and N. Umeda, PTEP 2016 (2016) no.5, 053B04[3] M. Fukuma, S. Sugishita and N. Umeda, PTEP 2016 (2016) no.7, 073B01[4] A. Alexandru, G. Basar, P. F. Bedaque, G. W. Ridgway and N. C. Warrington, JHEP 1605, 053 (2016)[5] M. Fukuma and N. Umeda, PTEP 2017, no. 7, 073B01 (2017)[6] M. Fukuma, N. Matsumoto and N. Umeda, JHEP 1712 (2017) 001

Chiral Primordial Gravitational Waves
Sourced by Axion-Gauge Couplings
天体核研究室

小幡 一平

Abstract We study a cosmological mechanism of generating parity-violating primordial gravitational waves
sourced by gauge fields coupled to a string axion during the inflationary period. We develop several models ofaxionic inflation with gauge fields which predict chiral gravitational waves potentially observable with future
gravitational wave detectors [1][2]. © 2018 Department of Physics, Kyoto University
In the conventional inflationary scenario, primordial gravitational waves are produced by vacuum fluctuations ofspace-time being stretched out and getting classicalized across the Hubble horizon during inflation. Thismechanism is common on the relevant scales discussed at inflationary age, so its amplitude has almost statisticallyscale-invariant and parity symmetric features. However, cosmic microwave background (CMB) observations so
far show no evidence of primordial gravitational waves through the imprint of polarization of B-mode in CMB
photons. Based on this fact, its amplitude should be tiny even on smaller scales where gravitational wave
interferometers are going to probe, if the dominant contributions of gravitational waves are vacuum fluctuations.
In addition to that, we might not be able to obtain sufficient information to search for fundamental physics in theearly universe only by means of the amplitude and scale dependence of tensor modes.
After giving a short review of above standard inflationary pictures, we suggest another possibility to alter those
pessimistic situations by developing an axionic inflation with gauge fields, in the case of both Abelian and
non-Abelian gauge groups. The key phenomenon to understand is that the rolling axion amplifies one helicity
mode of gauge particles via its parity-violating interaction, and hence particle production of gauge field occurs.
Remarkably, the enhanced gauge field creates the parity-violating tensor power spectrum during inflation.
Firstly, we study the mechanism of generating chiral primordial gravitational waves sourced by U(1) gauge field
at its quantum loop effect, and explore the possibility of their detection with future laser interferometers or pulsar
timing array missions. There, we show that particle production of the gauge field also amplifies scalar modes andthen leads to an overproduction of primordial black holes in our present universe. We propose a model which
avoids such observational constraints by introducing many U(1) gauge sectors coupled to an axion.
Next, we also develop an axionic inflation with SU(2) gauge field called “Chromo-Natural inflation”, and findthat this scenario predicts chiral gravitational waves sourced by gauge field at linear level, while they are
produced too much to satisfy the current CMB data. In order to mend this conflict, we finally extend a model of
Chromo-Natural inflation by introducing the dilatonic field which is kinematically coupled with gauge field. We
discuss the possibility of Chromo-Natural inflation which provides testable chiral primordial gravitational waves
at intermediate scales planned to observe by gravitational wave detectors, with satisfying the consistency withlarge scale CMB observations.

References[1] I. Obata and J. Soda, Phys. Rev. D 93, no. 12, 123502 (2016).
[2] I. Obata, JCAP 1706, no.06, 050 (2017).
.

理研 RIBF における重イオン衝突実験で探る
高密度原子核物質の対称エネルギー
原子核・ハドロン物理学研究室

金子雅紀

Abstract Charged π meson from intermediate energetic heavy-ion collisions is proposed as a good probe
to investigate the nuclear symmetry energy at supra-saturation densities. At RIKEN-RIBF, we measured
charged particles and neutrons emitted from four kinds of Sn+Sn isotopic reactions at 270 MeV/A. In thispresentation, analysis status will be presented.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

核物質の状態方程式(EOS)は中性子星の内部構造や超新星爆発ダイナミクスなどといった、原子核物
質のバルクな性質を記述する上で重要である。特に、中性子過剰な環境における寄与が大きい対称エネ
ルギーは、状態方程式を決定する上で大きな不定性を持つ要素の一つである。絶対零度極限におけるEOS の表式は、核子数密度 ρ=ρn+ρp とアイソスピン非対称度 δ=(ρn-ρp)/ρ を変数として、1 核子あたりのエネルギーを以下のような展開形で表す。

E(⇢, ) = E(⇢, ⇠ 0) + S(⇢) 2 + O( 4 )ここで、ρn(p)は中性子(陽子)数密度であり、δ の二次の係数として現れる S(ρ)が対称エネルギーである。
現在のところ、原子核飽和密度(ρ0~0.16 /fm3)以下の領域では主に原子核実験により制限が与えられているが、高密度領域では不定性が大きい[1]。理論的には、数百 MeV/核子における重イオン衝突からの荷電π中間子比が高密度領域における対称エネルギーの有用なプローブとなることが Bao-An Li らにより指摘されている[2]。しかしながら、中間エネルギー重イオン衝突における核子やクラスターの運動、
π中間子生成・吸収プロセスの取り扱いは特有の難しさがあり、対称エネルギーに対する感度はモデル依存性が非常に大きい。そのため、複数の輸送モデル計算による比較検討が進められている[3]。また、高密度核物質をプローブする実験的取り組みとして、ドイツ GSI において複数種類の同種核衝突系からの荷電π中間子比が測定された[4]が、クーロン力の影響が混入しているために対称エネルギーの寄与を正しく引き出せているかどうかは議論の余地がある。
我々は理研 RIBF により供給される様々な種類のスズ同位体ビームを用いることで、 132Sn+124Sn、
108
Sn+112Sn、112Sn+124Sn、124Sn+112Sn といった中性子数のみが異なる衝突系を比較する系統的測定を行なった。本測定はクーロン力の影響をキャンセルすることで、対称エネルギーに対してより高い感度を持つことが期待される。特に、π中間子は核子-核子衝突により生じるΔ(1232)の崩壊を通して生成されるため、データ取得トリガーにより中心-準中心衝突事象を選択することで高統計の測定を目指した。ビ
ームエネルギーはいずれの衝突系も 270 MeV/核子であり、想定される衝突時の到達密度はおよそ 2ρ0である。衝突事象から放出される荷電粒子は、SAMURAI スペクトロメータ内に SπRIT-TPC[5]を設置して運用することで粒子のエネルギー損失-運動量分析を行い識別する。また、中性子は前方 30 の位置に設置した NeuLAND demonstrator[6]によって検出する。今後は衝突径数に対する測定感度を決定した上で、荷電π中間子比の導出を目指す。本発表では、本実験の概要と解析の現状について報告する。
References[1] M. B. Tsang et al., Phys. Rev. C 86, 015803 (2012).
[2] B. A. Li et al., Phys. Rev. C 71, 014618 (2005).
[3] J. Xu et al., Phys. Rev. C 93, 044609 (2016).
[4] W. Reisdorf et al., Nucl. Phys. A 781, 459 (2007).
[5] R. Shane et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 784, 513 (2015).
[6] K. Boretzky et al., GSI Rep. 2015-1, 200-202 p. (2015).

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Study of Acceptance Improvement for K L→π νν Search
高エネルギー物理学研究室

上路市訓Abstract A new analysis method
is proposed to improve the signal acceptance in the KOTO experiment＿searching for the K0L→π0ν ν decay. In the experiment, acceptance loss caused by the high rate operationof the detectors for background suppression limits the experimental sensitivity.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

The KOTO experiment aims to observe a rare neutral kaon＿
decay, K0L→π0ν ν . The decay is well suppressed in the Standard
Model of elemental particle physics, whose branching fraction isestimated to be (3.00±0.30)×10-11 with small theoretical uncertainty＿
of 1% [1]. Figure 1 shows the detection principle of K0L→π0ν ν .
The π0 immediately decays into two photons, hitting an Figure 1 Principle of KOTO experimentelectromagnetic calorimeter composed of undoped cesium iodide(CsI) crystals. Since the neutrinos cannot be detected, only the two
photons are detectable, where their center of mass has finite
transverse momentum. Other decays of K0L such as K0L→π+π-π0
would be possible backgrounds (Fig. 2), which can be rejected bycatching extra particles with the detectors surrounding the decay
Figure 2 Example of background event
region, called “veto counters”.
Since any signal in veto counters is assumed to be associated with a background event, accidental activities on
the veto counters lead to a signal loss, called “accidental loss”, which is estimated to be 76% for the data taken in2015. The accidental loss is proportional to the hit probability in veto counters determined by a product ofcounting rate and time window for synchronization with the CsI calorimeter (“veto window”). To maximize the＿acceptance of K0L→π0ν ν by reducing the accidental loss, the veto window should be set as narrow as possible.
Narrower veto window can increase detection inefficiency caused by overlapped pulses of signal waveforms
in the veto counters, called “masking inefficiency”. Figure 3 shows an example, where a preceding pulse outside
the veto window hides the second pulse inside the veto window. To reduce the masking inefficiency, a new
analysis method has been developed, where each overlapped pulse (the black dotted graph in Fig. 4) isdecomposed into multiple single pulses (the red and green graphs in Fig. 4).
＿
In this talk, the analysis status of acceptance improvement for the K0L→π0ν ν search in the KOTO experimentwill be presented. The main topic is the development of the waveform decomposition method and its pulse finding
performance for the suppression of masking inefficiency with narrower veto window.

Figure 3 Example of masking inefficiency

Figure 4 Example of waveform decomposition

References[1] A. J. Buras, D. Buttazzo, JHEP 1511, 033 (2015).

The study on quantum field theories
from numerical approaches
素粒子論研究室

川井 大輔

Abstract We present two studies of quantum field theory with numerical computations. In
the study on lattice QCD, the method to obtain the phase shift of ππ scattering in I = 1 channel fromthe combination of the HAL QCD method and LapH smearing is considered. With the method, we
extracted the signal of ρ resonance from the HAL QCD method for the first time. For the study of thechaotic solution in the classical string and BMN matrix model. We show there are chaotic solutions inthese theories, and discuss the possible indication for the gauge theories in the strong coupling.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

Since the most of the study on the quantum field theory today needs non-perturbative
approach, the good command on the numerical computations is being more and more important.
Moreover, due to the improvement on the computational resource such as high performance CPU
and large volume memories, the numerical simulation is available in the situation very close
to the real world. In this sense, numerical simulation is no longer a supportive tool for the
study but an important branch of science. In this thesis, we consider two studies on quantum
field theory with numerical computations : (1) the phase shift of the ππ scattering andextraction of ρ resonance signal and (2) chaotic solution of superstring theory and M-theory.
These studies cannot be conducted without numerical simulations. In the study of scattering
phase shift, the method to obtain the phase shift in I = 1 channel from the combination of
the HAL QCD method and Laplacian-Heaviside (LapH) smearing is considered. Before we try thismethod for the ππ scattering in I = 1 channel, we investigated the scheme independence of the
HAL QCD potentials at pion mass mπ = 870 MeV. It is found the local potentials calculated
from the combination of the HAL QCD method and LapH smearing have scheme dependence while thescheme independence in the HAL QCD method is proved if non-local potential is employed. We
found that the scheme dependence of the physical observables such as phase shift, resonant
state mass and decay width can be reduced by considering next-to-leading (NLO) order term inderivative expansion [1]. With this knowledge, we computed the scattering phase shift of ππscattering in I = 1 channel. Since the NLO potential cannot be extracted because of
insufficient number of configuration, the phase shift quantitatively deviates from the one
obtained from Lüscher’s finite volume method. However, the phase shift have the sign of ρ
resonance. The signal of mesonic resonant state is obtained from HAL QCD method for the firsttime [2].
In the study of the chaotic solution in the superstring theory and M-theory, we show there
are chaotic solutions in a near Penrose limit of AdS5×T1,1 and BMN matrix model with theknowledge of non-linear dynamics. According to the AdS/CFT correspondence, there is anoperator in gauge theory side which is dual to the chaotic solutions in the classical string.
We discuss the possible indication for the gauge theories in the strong coupling [3,4].
References[1] D. Kawai et al.(the HAL QCD Collaboration), arXiv : 1711.01883 [hep-lat].
[2] D. Kawai (for the HAL QCD Collaboration), accepted in EPJ Web of Conference.
[3] Y. Asano, D. Kawai and K. Yoshida, JHEP 06 (2015) 191.
[4] Y. Asano, D. Kawai, H. Kyono and K. Yoshida, JHEP 08 (2015) 60.

’t Hooft anomaly, global inconsistency,
and some of their applications
Nuclear Theory Group

Yuta Kikuchi

Abstract We study the ’t Hooft anomaly and global inconsistency, which are obstructions
to gauging the global symmetry, involving discrete symmetries and higher-form symmetries.
Their consequences are discussed in detail via the UV/IR matching argument. Several examples are given aiming at extracting nonperturbative data of infrared structure of QCD.
c Department of Physics, Kyoto University

The ’t Hooft anomaly, an obstruction to promoting global symmetries to local gauge symmetries, is one of
the most powerful tools to study the infrared properties of the quantum field theories [1]. The UV/IR anomaly
matching condition claims that, provided the global symmetry has an ’t Hooft anomaly in the ultraviolet
theory, the infrared theory reached via renormalization group flow must reproduce the same ’t Hooft anomaly,
and particularly, the realization of the symmetric gapped state without topological order is strictly forbiddenin the infrared theory. Thus, the existence of ’t Hooft anomalies, combined with the anomaly matchingcondition, imposes strong constraints on the low-energy effective theories. Recent remarkable developments
enable us to deal with ’t Hooft anomalies for wider class of global symmetries such as discrete symmetries
and higher-form symmetries [2,3].
We present ’t Hooft anomalies and global inconsistencies, the latter of which are other type of obstructions
to gauging the global symmetry, involving discrete symmetries and higher-form symmetries. Consequencesof the ’t Hooft anomaly and global inconsistency are discussed in detail via the UV/IR anomaly matchingargument. Several examples are given in increasing difficulty but desirability for the purpose of extracting
nonperturbative data of infrared structure of quantum chromodynamics (QCD). To be specific, we deal withquantum mechanical models, the pure Yang-Mills and bifundamental gauge theories with the theta angles,
and QCD and QCD-like theories at finite temperatures following our recent papers [4,5,6]. The various
quantum mechanical models serve as pedagogical illustrations of ’t Hooft anomalies, global inconsistencies,
and their UV/IR matching arguments. Their consequences manifest themselves as level degeneracies inenergy spectra, that are protected from symmetry-preserving perturbations. While the pure Yang-Mills andbifundamental gauge theories with topological terms share a lot of features in common with the quantum
mechanical models, additional concepts are introduced with a tricky global symmetry: the center symmetry,
which is nowadays understood as a discrete one-form symmetry [7]. To derive the ’t Hooft anomaly andglobal inconsistency involving the center symmetry, we describe the generalized global symmetry along withcertain types of topological quantum field theories. Combining all these ingredients together, we finally attack
the ’t Hooft anomaly in QCD. Also, massless QCD with twisted boundary conditions at finite temperatures
T and chemical potentials µ is discussed, in which, despite the appearance of anomalies in the vacuum, its
existence at finite temperatures is totally nontrivial because of the circle compactification in the imaginarytime direction. The outcome is quite remarkable: the symmetric gapped phase is strictly excluded in so called
massless ZN -QCD, that is the QCD with flavor-twisted boundary condition in the imaginary time direction,at any temperature and chemical potential, i.e., the persistent order is realized for this theory at finite (T, µ).
Furthermore, it turns out that an ’t Hooft anomaly and a global inconsistency for certain global symmetry
are responsible for the Roberge-Weiss transition at finite imaginary chemical potential.
References[1] G. ’t Hooft, Recent Developments in Gauge Theories. Proceedings, Nato Advanced Study Institute,
Cargese, France, August 26 - September 8, 1979, vol. 59, pp. 135–157. 1980.
[2] A. Kapustin and R. Thorngren, Phys. Rev. Lett. 112 no. 23, (2014) 231602.
[3] D. Gaiotto, A. Kapustin, Z. Komargodski, and N. Seiberg, JHEP 05 (2017) 091.
[4] Y. Tanizaki and Y. Kikuchi, JHEP 06 (2017) 102.
[5] Y. Kikuchi and Y. Tanizaki, PTEP 2017 (2017) 113B05.
[6] Y. Tanizaki, Y. Kikuchi, T. Misumi, and N. Sakai, arXiv:1711.10487 [hep-th].
[7] D. Gaiotto, A. Kapustin, N. Seiberg, and B. Willett, JHEP 02 (2015) 172.

核ガンマ線イメージングスペクトロスコピーの開拓
宇宙線研究室岸本哲朗

Abstract Nuclear gamma-rays are a good probe for astrophysics. However, difficulties in sub-MeV/MeV
gamma-ray astronomy hindered successful observation. Therefore, we have developed an
Electron-Tracking Compton Camera to overcome the difficulties. We report the result of a beam test inwhich we performed to check the capability of nuclear gamma-ray imaging spectroscopy.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

核ガンマ線は、超新星爆発における元素合成などを調べるための良いプローブになるためこれまでも観測が試みられてきた。しかしながら、その観測領域となる sub-MeV/MeV 領域においては、これまで主として利用されてきたコンプトン法に問題があり、方向決定精度が低くなってしまっていた。このため、放射化した検出器からのガンマ線や、視野外から漏れこむ信号など、多量の雑音を除去できず、十分な有意度での観測をするには至っていない。そこで我々はこれらの困難を克服するために電子飛跡検出型コンプトンカメラ(以後、ETCC)を開発し、他のエネルギー領域と同様な幾何光学に基づくイメージ
ング法を世界で初めて確立し、定量性、低雑音を実現した[1]。ETCC はガス TPC とシンチレータを組み合わせたコンプトンカメラであり、粒子識別能力及びイメージング能力を有する。我々はこれらの特性を利用すれば宇宙のような高雑音環境下でも、核ガンマ線の正確なイメージング分光が可能になると考え、その可能性を探ってきた。
第一歩として我々は 2013 年に大阪大学 RCNP にて試験を行った。140 MeV の陽子ビームと水ターゲッ
トを利用し、高雑音環境を作り、その環境下でガンマ線源(Cs137 0.8 MBq@1m)からのガンマ線を検出することに成功している[2]。また鉄ターゲットに利用し、核ガンマ線の観測を試み、その兆候を得ることに成功している。
第二歩として我々は 2016 年 10 月に再び大阪大学 RCNP にて試験を行った。2013 年からは検出器自体の有効面積の増大が図られたほか、飛跡解析の改善によりイメージング能力が向上している。また前回はターゲットが遠すぎたためイメージングの検証としては問題があったので大幅に近づけた。セットア
ップを Fig. 1 に示す。我々は実際の天体を模擬すべく、鉄ターゲットを検出器正面に配置し、そこに80 MeV の陽子ビームを照射した。これにより鉄からの核ガンマ線ガンマ線のスペクトル(Fig. 2)およびイメージ(Fig. 3)を得ることに成功している。今回はその結果について報告する。

Fig. 1. Setup of the experiment.

Fig. 2. Spectrum of gamma-rayss from Fe.

References[1] T. Tanimori et al., ApJ, 810 (2015) 28.
[2] Y. Matsuoka et al., 2015 JINST 10 C01053

Fig. 3. Reconstructed image of gamma-rays.

ATLAS 実験における弱ボソン対に崩壊する共鳴状態のセミレプトニック終状態での探索
高エネルギー物理学研究室

救仁郷拓人

Abstract Many theories proposed for extensions to the Standard Model predict diboson resonances. We
present a search for a charged or neutral diboson resonance in the semileptonic final channel. The search
makes use of a series of data-driven calibrations to the hadronically decaying W/Z bosons that arehighly-boosted to improve sensitivity.
© 2018 Department of Physics, Kyoto Universityt¯

Expected limit (± 2σ)σ(pp→Z´→WW) HVT Model A, gv=1
σ(pp→Z´→WW) HVT Model B, gv=3

10-1

b

10-2

t
g

b¯

10-3

b¯

W

b
W/Z

Expected 95% CL upper limit
Expected limit (± 1σ)

HVT model Z´

1

W+

g

t

g

W/Z

2M
pT

W+

g

R⇠

10

s = 13 TeV, 36.1 fb-1
ggF/qq lνqq CategoryW

大半径ジェット
t¯

b¯

q

b¯

BOOST

102

0.5

1

1.5

t¯

W

W

小半径ジェットσ(pp→Z´→WW) [pb]

W+

q

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

R

q10

W/
Z

W

W+

g

W+

g

t

g

t

g

g

b

g

b

t¯

m(Z´) [TeV]Fig. 1. Schematic view of the reconstruction ofReferences
a hadronically decaying W/Z boson. In the hadronic
decay of a highly-boosted W/Z boson, the opening Fig. 2. Observed and expected cross-section upper limits
angle between the quarks is low, thus both quarks
at the 95% confidence level for WW production
can be identified as a single large-R jet.
as a function of the resonance mass [1].

X

g

g

g

[1] ATLAS Collaboration, “Search for WW/WZ resonance production in lνqq final states in pp collisionsat √s = 13 TeV with the ATLAS detector”, CERN, 2017, arXiv: 1710.07235 [hep-ex].
[2] ATLAS Collaboration, “In-situ measurements of the ATLAS large-radius jet response in 13 TeV pp collisions”,
tech. rep. ATLAS-CONF-2017-063, CERN, 2017, url: https://cds.cern.ch/record/2275655.

q2

W/
Z

W

q1

g

W+

標準模型における未解決の問題を解決するために提案されている多くの理論のうち、例えば複合ヒッグスモデルや余剰次元のモデルなどにおいて、２つの弱ボソンに崩壊する新粒子が予言されている。モ
デル毎に新粒子の崩壊モードやスピンなどが異なるため、ATLAS, CMS 実験では考えられる多くの終状態において包括的な探索を行っているが、今のところ新粒子による弱ボソン対共鳴は見つかっていない。
本講演では、WW または WZ ボソン対に崩壊する共鳴状態のうち、片方の W ボソンがレプトン崩壊をし、もう片方の W または Z ボソンがハドロン崩壊をするセミレプトニック終状態の解析結果について発表する。大きい質量の共鳴状態では W/Z ボソンは高い運動量を持っており、そのハドロン崩壊から生じる２つのクォークは近接する。この場合は２つのクォークを別々のジェットとして再構成することが困難なため、１つの大半径ジェットとして再構成する。小さい質量ではクォーク間は十分に離れているため、２本の小半径ジェットとして再構成する。このように、WW/WZ 対の質量によって２つのモードに分けて 300 GeV から 5 TeV までを探索した。講演者は、ATLAS 実験で 2015, 2016 年に取得した重心系エネルギー 13 TeV、積分ルミノシティ 36.1 fb-1 のデータを用いた解析を行い、セミレプトニッ
ク終状態における弱ボソン対共鳴状態探索の最新結果を発表した [1]。新粒子に起因する顕著なイベン
トの超過は見つからず、系統誤差を削減することで新粒子の発見感度を向上することを目指した。
高い質量の共鳴状態探索において支配的な系統誤差は、バックグラウンドのモデリングに起因する誤差と、W/Z ボソンのハドロン崩壊により生じる大半径ジェットのエネルギー測定精度に起因する誤差である。新粒子の発見感度を改善するために実データを用いた大半径ジェットのエネルギー較正(in-situ
calibration) を進めており [2]、これによって系統誤差を削減できる。本講演では、大半径ジェットのエネルギーを精度良く測定したことで弱ボソン対共鳴探索の解析に見込まれる改善についても発表
103
する。
ATLAS
Observed 95% CL upper limit

Study of the neutrino mass hierarchy with the atmospheric
neutrino data in Super-Kamiokande IV
高エネルギー物理学研究室

江 淼

Abstract A study of the neutrino mass hierarchy with the atmospheric neutrino data reconstructed by new
algorithm in Super-Kamiokande IV is presented. The event selection is optimized for sensitivity to theneutrino mass hierarchy. Current analysis status and prospect will be presented.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

Super-Kamiokande(Super-K, SK) is a large underground water Cherenkov detector located in the Kamioka
mine in Mt. Ikenoyama, Gifu Prefecture, Japan. The detector consists of a water tank holding 50 kt of ultra-purewater, and the photomultiplier tubes (PMT) lining the tank interior detect the Cherenkov radiation which is
produced by charged particles which propagate in the water.
A new algorithm, named fiTQun, employs a maximum likelihood method using the charge and time
information that is observed by the PMTs to reconstruct particle types and kinematics in the detector. The
algorithm is based on the methods which are developed for the MiniBooNE experiment [1]. Comparing with theconventional reconstruction algorithm: APfit, fiTQun shows better performance including vertex resolution(Fig.1), PID (Fig. 2) etc.[2]APfit
fiTQunFig. 1 Vertex resolution of single-ring electron

Fig. 2 Miss PID rate of single-ring electron

A study of the neutrino mass hierarchy (MH) with the atmospheric neutrino data reconstructed by fiTQun in
Super-Kamiokande IV will be discussed in this talk. The new reconstruction algorithm fiTQun helps improve thesensitivity to mass hierarchy from two aspects: the purity of samples and statistics. Thanks to better PID ability offiTQun, the purity of corresponding interaction channels in each subsample is increased. As for the statistics, thefiducial volume (FV) is expanded from 22.5 kton to 29.7 kton by changing the FV cut using fiTQun. In this talk,the effect of fiTQun and FV expansion on the sensitivity to MH would be discussed in detail.
References[1] R. B. Patterson et al., The extended-track reconstruction for MiniBooNE". Methods in Physics Research,
A608:206, (2009).
[2] S. Tobayama. “An Analysis of the Oscillation of Atmospheric Neutrinos”. Ph. D. Thesis, University of British
Columbia, 2016

Deformation of N=4 SYM
with space-time dependent couplings
基礎物理学研究所 素粒子論グループ 崔在旺
Abstract We study deformation of N=4 SYM to have space-time dependent couplings preserving
supersymmetry. This system can be interpreted as non-Abelian world-volume theory of D3-branes ingeneral BPS background. We obtain some conditions to preserve supersymmetry with varying couplings,
and apply the conditions to specific examples.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

場の理論には様々なパラメータがある。計量やゲージ結合定数、質量、湯川結合定数、θパラメータなど、多くの種類がある。しかし、計量が時空に依存する場の理論、即ち曲がった時空での場の理論、に比べて他の結合定数が時空依存性を持つ場合はあまり研究されていない。結合定数が位置依存性を持
つ場の理論は珍しく思われるかもしれないが、超弦理論の観点からは自然に実現される。例えば、10次元の typeⅡB の超重力理論で、[p,q]7-brane が D3-brane と交差している系を考えると、複素化したゲージ結合定数τにモノドロミが生じるため、τが定数はありえないことがわかる。従って、
D3-brane 上の有効作用は、N=4 超対称ヤン・ミルズ理論(N=4 SYM)からポアンカレ対称性を破り、ゲージ結合定数が位置依存性を持ちながら超対称性を保つように変形した理論になるはずである[1]。また、(p,q) 5-brane と交差している D3-brane の有効作用に対応して超対称性を保ちながら結合定数が1 つの方向の位置依存性を持つような N=4 SYM 変形の形を求めた先行研究がある[2]。
本研究では、上記の例をより一般化し、結合定数が 4 次元の時空の全ての方向に依存性を持ちながら超対称性を保つような N=4 SYM の変形を調べる[3]。また、超重力理論における一般的な背景でのD3-brane 上の有効作用を求め、比較することで弦理論的観点からその対応関係の解析をする[4]。
我々は N=4 SYM にありうるゲージ不変で繰り込み可能な項を時空に依存する結合パラメータと一緒に加え、同じように拡張した超対称性変換で作用が不変になるための条件を求めた。そして、この条件をより詳しく調べるため、具体的なグローバル対称性がある系を調べた。その例として、時空の対称性がISO(1,1)で R 対称性が SO(3)×SO(3)である場合、同様に ISO(1,1)×SO(2)×SO(4)、ISO(3)、ISO(2)×SO(6)の場合について超対称性を持つための条件の微分方程式の解を求めた。特に、ISO(1,1)×SO(3)×SO(3)の例では様々な解のクラスを発見し、それが[1]と[2]の解を含んでいるより大きな解になっていることを示した。また、複数枚重ねた D3-brane が超重力理論の一般的な背景に置かれている場合に対応して非可換ゲージ群を持つ D3-brane の有効作用を求めた。
これを用いて(p,q) 5-brane 背景、
D3-brane
背景がある時に複数枚の D3-brane 上の有効作用を求めた結果、グローバル対称性が同じになる例として、
それぞれ場の理論で解析した[2]の supersymmetric Janus configuration と[3]の SO(1,1)×SO(2)×SO(4)場合の解析結果を再現することを確認した。

References[1]E. I. Buchbinder, J.Gomis, and F. Passerini, “Holographic gauge theories in background fields and surface
operators”, JHEP 04, 018 (2008) , arXiv: 0709.1482[hep-th].
[2]D. Gaiotto and E. Witten, “Janus Configurations, Chern-Simon Couplings, And The theta-Angle in N=4 Super
Yang-Mills theory”, JHEP 06, 097 (2010), arXiv: 0804.2907[hep-th].
[3]J. Choi, J. J. Fernandez-Melgarejo, and S. Sugimoto, “Supersymmetric Gauge Theory with Space-time
Dependet Couplings” PTEP (accepted), arXiv: 1710.09792[hep-th].
[4]J. Choi, J. J. Fernandez-Melgarejo, and S. Sugimoto, (In preparation).

場の理論におけるエントロピーの数値計算法の開発とそれに基づく相対論的重イオン衝突での熱化機構の解析
原子核理論研究室

築地秀和

Abstract We explore thermalization in relativistic heavy ion collisions in terms of entropy production. We propose numerical methods for the semi-classical time evolutionof the Husimi-Wehrl entropy in Yang-Mills field theory and show the entropy production
occurs around 1 fm/c from the phenomenological initial condition mimicking glasma inthe static box.
c
⃝2018
Department of Physics, Kyoto University

量子色力学 (Quantum Chrome Dynamics) の漸近的自由性は高エネルギー領域においてクォークとグルーオンが閉じ込めから解放されたクォーク-グルーオンプラズマ (Quark Gluon Plasma: QGP) の存在を予言する。RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider, BNL) と LHC (Large Hadron Collider, CERN)における相対論的重イオン衝突実験では QGP 生成の様々なシグナルが観測されており、現象論的な解析の一つである流体模型は実験結果をよく再現することが知られている。そのインプットパラメータである
初期時刻は衝突後 0.6 − 1.0fm/c 程度の時間で系が局所熱平衡に達することを示唆し、粒子の衝突によって熱化するというボトムアップシナリオでは説明できないほど早いことが指摘された。これは「早い熱化」の問題として多くの関心を集め (レビュー [1] を参照)、盛んに研究がなされているが未だ解決には至っていない。
この問題に対するアプローチの一つは古典場の持つ不安定性に注目するものである。衝突直後には多数のグルーオンがコヒーレント状態を形成しており、第一近似として古典ヤン-ミルズ場としての扱いがよいと考えられている。この古典ヤン・ミルズ場の現象論的な初期配位は非等方になっており、初期の量子揺らぎに対して不安定性を持つことが知られている。この不安定性によって熱化が引き起こされるというシナリオは有力であり、ゆらぎから生じる永年項を再総和する手法である古典統計近似によって熱化の指標の一つと考えられている圧力の早い等方化が示された [2]。近年では文献 [2] を超えた研究がなされており、場ではなく粒子的な取り扱いをするものと、等方化以外の熱化の指標に注目するものの二つの方向性が検討されている。本発表では半古典近似に基づいた手法を用いて、エントロピーを解析することで系の局所熱平衡化を直接議論することで早い熱化の問題に取り組むことにする。
そこで注目するのが伏見-バール (Husimi-Wehrl) エントロピーという粗視化されたエントロピーである。伏見-バールエントロピーは伏見関数から定義されるエントロピーであり、伏見関数は量子力学における密度行列の「位相空間」での定式化であるウィグナー関数をガウス関数で粗視化することで得られる。物性と素粒子の分野では基礎物理学的な興味から孤立量子系における熱化の指標として様々な粗視化されたエントロピーが調べられており、その中でも伏見-バールエントロピーは「位相空間」での伏見関数の広がりを特徴づけるため、熱化の古典的な描像である非局在性が明確である。また、ウィグナー関数
は初期条件として重イオン衝突初期の量子揺らぎを自然に取り入れることができ、その半古典的な時間発展も古典方程式を解くことで与えられるため、重イオン衝突初期において有効な枠組みを提供する。
本発表ではウィグナー関数の半古典的な時間発展を利用して伏見-バールエントロピーの計算手法を開発する。まず、量子力学系における簡単な試験計算を行い、そこでの解析で開発手法の有効性と特徴を議論する [3]。次に、その手法を場の理論へ拡張し、数値計算結果の収束をよくするために積近似 (productansatz) を用いた上で、ランダムな初期条件からのエントロピー生成が記述できることを示す [4]。さらに、静止系において衝突直後に妥当であると考えられているグラズマ (Glasma) 配位を似せた配位をつくり、そのまわりのコヒーレント状態を初期条件とした場合に解析し、伏見-バールエントロピー生成が1fm/c 程度で起こることを示す [5]。圧力などの他の物理量との比較も行い、「早い熱化」についての議論を行う。

Reference[1] P. F. Kolb and U. W. Heinz, In *Hwa, R.C. (ed.) et al.: Quark gluon plasma* 634-714.
[2] T. Epelbaum and F. Gelis, Phys. Rev. Lett. 111, 232301 (2013).
[3] H. Tsukiji, H. Iida, T. Kunihiro, A. Ohnishi, and T. T. Takahashi, Prog. Theor. Exp. Phys.
083A01 (2015).
[4] H. Tsukiji, H. Iida, T. Kunihiro, A. Ohnishi, and T. T. Takahashi, Phys. Rev. D 94, 091502(R)(2016).
[5] H. Tsukiji, T. Kunihiro, A. Ohnishi, and T. T. Takahashi, to be published in Prog. Theor. Exp.
Phys., [arXiv: 1709.00979].

高強度レーザー照射による金属ワイヤー導波路上へのテラヘルツ表面波発生
レーザー物質科学分科

寺本研介

Abstract It is possible to generate intense terahertz surface waves of MV/cm class by irradiating an
intense laser pulse on a metal wire. We have investigated the characteristics of surface waves generated
by time domain spectroscopy in detail.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

近年、短パルスレーザー技術の発展により単一サイクルテラヘルツ波の発生が可能となっている。特に高強度レーザー生成プラズマは高強度テラヘルツ波源として期待されている。一方でテラヘルツ波の導波技術はテラヘルツ波応用にとって非常に重要である。テラヘルツ導波路にはテラヘルツ帯全域で低損失でありかつ、単一サイクルテラヘルツ波を歪みなく伝送するために無分散が求められる。金属ワイ
ヤーはこれらの特徴を併せ持つ優れたテラヘルツ導波路として利用可能である [1]。テラヘルツ波は金属ワイヤー導波路上で軸対称な偏光を持つ表面波として伝搬し、テーパー状のワイヤーを用いることでテラヘルツ波をワイヤー先端で極小集光することが可能である。しかし、空間を伝搬するテラヘルツ波の金属ワイヤーへのカップリング効率が悪いという欠点がある。このため、高強度なテラヘルツ波の伝送には課題があった。我々は金属ワイヤーに高強度レーザーを照射することで高強度テラヘルツ表面波を生成・伝送することに成功している [2]。高強度レーザーによって加速された高速電子が真空中に放射されることによって金属ワイヤーと電子の間に準静的な電場が発生し、テラヘルツ帯の表面波が誘起する。表面波はピーク電場が MV/cm 級の半サイクルパルスであった。このように高強度レーザー照射によって、金属ワイヤー導波路に高強度テラヘルツ波を発生させることが可能であるが、表面波の波形や電場分布、レーザーエネルギー依存性などの詳細は十分に調べられていない。筆者らはテラヘルツ時
間領域分光法（THz-TDS）によって、レーザー生成テラヘルツ表面波の電場を直接測定し、表面波の詳細な特性を調べた。
実験では銅ワイヤー（直径 300 µm）に高強度レーザー（波長 810nm、集光強度 1.8×1018 W/cm2、パルスエネルギー20
mJ、パルス幅 40 fs）を照射した。発生するテラヘルツ表面
波のワイヤー径方向の電場を電気光学効果によって測定し、プローブ光の光学遅延を変化させることで表面波の電場波形を測定した。電気光学結晶は GaP（厚さ 300 µm）を使用した。図 1 に電場測定位置を径方向（r = 1~10 mm）に動かしたときに得られた波形を示す。表面波の波形はいず
れもフェムト秒で鋭く立ち上がり、その後数ピコ秒で減衰している。ピーク電場はハンケル関数で r 方向に減衰しており、表面波モードの理論的な空間分布と一致している。
今回の計測では、ワイヤー表面でのピーク電場が 0.55
MV/cm、パルス幅 2 ps 程度の表面波が発生していることが分かった。
Fig. 1. Waveform for various distance r.
References[1]
K. Wang and D. M. Mittleman, Nature 432, 376 (2004).
[2]
S. Tokita, S. Sakabe, T. Nagashima, M. Hashida, and S. Inoue, Sci. Rep. 5, 8268 (2015).

J—PARC	  KOTO 実験における KL→π0νν崩壊探索の	
 背景事象の研究	
 高エネルギー物理学研究室	
  	
  中桐	
 洸太	
 
--

Abstract The KOTO experiment aims to study the KL→π0νν decay at J-PARC, which is a rare direct
CP-violating decay. The status of the analysis on the data taken in 2015 will be presented focusing on the
background study.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University	  CP 対称性の破れの存在は素粒子標準理論では確立されているが、物質優勢宇宙を定量的に説明するには破れの程度が小さく、標準理論を超えた	 CP	
 非保存過程が必要とされている。KL→π0νν 崩壊は CPを直接的に破る崩壊であり、未知の CP 非保存機構が存在すると崩壊分岐比が標準理論予測値からずれを生じうる。未だ観測されていないこの崩壊は標準理論での崩壊分岐比が 3×10−11 と小さく、理論的不定性も 1%と小さい[1]ため、CP	
 破れを引き起こす新物理の効果を見る良いプローブである。	
 	
  KOTO 実験は J—PARC において行われている KL→π0νν探索実験である。KOTO 実験では 30	
 GeV 陽子ビームを固定標的に当てて生成した KL 中間子をコリメーターによって細いビームとして検出器領域まで輸送する。検出器はビーム軸を囲うように設置されており、下流エンドキャップ部分の CsI カロリーメ
ータでπ0 から生じる 2 光子を捕え、かつ他の検出器で検出可能な粒子がないことをもって信号事象の候補とする(Fig.	
 1)。	
 
	
  KOTO 実験は 2013 年に初めての物理ランを行い、先行実験と同等の感度(1.28×10-8、標準理論崩壊分岐比を仮定するとシグナル期待値 0.002 に相当する感度)を達成した[2][3]。しかしビーム外縁部に分布するハロー中性子がカロリーメータに当たってハドロンシャワーを作り、さらにそこで生じた中性子
がカロリーメータ中を通過し、離れたところでハドロンシャワーを起こして 2 つのクラスターを作る“ハドロンクラスター事象”が全背景事象予測値 0.34 の内 0.18 を占める大きな寄与を持つことが判明した。	
 	
  2015 年に物理ランを行い、2013 年に行ったランの約 20 倍の統計量のデータを収集した。このデータをもって 2013 年の一桁上の 1×10-9 の感度で KL→π0νν崩壊探索を行う。統計量に伴って増大する背景
事象を抑制することが必須であるので、上記のハドロンクラスター事象の研究のためのコントロールサ
ンプルの取得も行った。	
 	
  本発表では 2015 年に取得したデータの解析状況について、特に背景事象の研究に重点をおいて報告する。	
 Fig. 1. A cross-sectional view of the KOTO detector and a conceptual view of the signal detection.
References[1] A. J. Buras, et al. , Journal of High Energy Physics 11, 033 (2015).
[2] J. K. Ahn et al., Phys. Rev. D, 81, 072004 (2010).
[3] J. K. Ahn et al., PTEP, 021C01 (2017).

ニュートリノ振動におけるニュートリノ反応モデルの系統誤差の評価と振動パラメータの精密測定
高エネルギー物理学研究室: 仲村 佳悟
Abstract: T2K experiment is a long baseline neutrino oscillation experiment searching for CP
violation in lepton sector with neutrino oscillation. In the neutrino oscillation analysis,
understanding of neutrino-nucleus interaction modeling and its uncertainties are important topredict number of events at the far detector precisely.
We will report the evaluation of the systematics uncertainties on the oscillation parameters
estimation from neutrino interaction modeling. The oscillation analysis results used the data
until 2017 summer will also be reported in this presentation.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

T2K 実験は茨城県東海村にある J-PARC でニュートリノビームを生成し、岐阜県飛騨市神岡町にある
スーパーカミオカンデで測定する長基線ニュートリノ振動実験である。ニュートリノと反ニュートリノ
での振動確率の違いを調べることでレプトンにおける CP 対称性の破れの観測を目指して実験を行っている。ニュートリノ振動は PMNS 行列で記述でき、電子ニュートリノ出現から(θ13,δCP)、μニュート
リノ消失から(θ23,Δm223 )のパラメータの測定ができる。T2K 実験ではこれらのモードと反ニュートリノでの電子ニュートリノ出現、μニュートリノ消失を同時に解析することでこれらのパラメータの測定を行っている。
現在のニュートリノ振動解析で問題になっているのはニュートリノ-原子核反応のモデルとその不定性による系統誤差である。ニュートリノ反応モデルの違いによって、予測されるスーパーカミオカンデ
でのエネルギースペクトラムやイベント数が異なってくるためニュートリノ振動パラメータの測定に多大な影響を及ぼす。
そこでニュートリノ振動解析における反応モデルの影響を調べるために、異なった構造関数モデル[2][3]や原子核効果の計算が異なるモデル[4][5]等様々な反応モデルを模したシミュレーションデー
タを用いて、振動パラメータ測定における反応モデルの違いによる系統誤差を調べた。
CP 位相に於いてはニュートリノ反応モデルの影響は CP 位相の信頼区間を２%程度しか変化させないことを確認し、2017 年夏までのデータを用いて振動解析を行い 2σの信頼度で CP 対称性が破れていることを確認した。
一方(θ23,Δm223 )パラメータについては反応モデルによってシミュレーションから予想される不定性に対して最大で 0.5σ程度のズレが現れることがわかった。これらのパラメータは T2K 実験が最大混合(θ23=45°)を示唆しているのに対しアメリカで行なわれている NOvA 実験は 2.6σで最大混合を棄却しており、系統誤差の正確な見積もりが必要になっている。そのため現在反応モデルに起因する不定性を考慮に入れた解析を行っている。
本発表ではこれらのニュートリノ振動解析結果と現状について報告する。
References[1] K. Abe et al. (T2K Collaboration), Nucl. Instrum. Meth. A 659 106 (2011)[2] C. Adamuscin, E. Tomasi-Gustafsson, E. Santopinto, and R. Bijker. Phys. Rev., C78:035201 (2008)[3] Bhubanjyoti Bhattacharya, Richard J. Hill, and Gil Paz. Phys. Rev., D84:073006 (2011)[4] J. Nieves, I. Ruiz Simo, and M. J. Vicente Vacas. . Phys. Rev., C83:045501 (2011)[5] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, and J. Marteau. Phys. Rev., C80:065501 (2009)

加速膨張宇宙とブレーンワールドモデル
素粒子論研究室

西雅人

Abstract We study the de Sitter brane world models on the basis of the Randall-Sundrum model. The
models can naturally explain the hierarchy between the Planck scale and the weak scale, and describe theacceleratively expanding universe. In addition, we discuss the possibilities of realizing the timedependent Hubble parameter.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

標準模型は、予言されていた Higgs 粒子の発見など、非常に大きな成功を収めている。しかし、未解決な問題も存在しており、本研究では特に Planck scale と weak scale の間の非常に大きな階層性(𝑀𝑀pl /𝑀𝑀w ~ 𝒪𝒪(1017))の存在に着目した。1999 年に提唱された Randall-Sundrum モデル[1]は、この 4 次
元の階層性を 5 次元の理論として比較的自然に説明可能であるとして注目を集めた。このモデルでは、
5 次元方向を𝑆𝑆 1 /ℤ2でコンパクト化することにより、張力のみを持つ 2 枚のブレーンを自然に導入し、5次元の𝒪𝒪(10)の階層性によって 4 次元の𝒪𝒪(1017)が実現される。
一方で、このモデルでは 4 次元時空は定常であり、加速膨張宇宙を再現することはできない。これを解決するための最も簡単な方法は、計量の 4 次元部分を de Sitter 時空に変更するものである：
𝑑𝑑𝑑𝑑 2 = 𝐴𝐴2 (𝑦𝑦)�−𝑑𝑑𝑑𝑑 2 + 𝐵𝐵2 (𝑡𝑡)𝛿𝛿𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑗𝑗 � + 𝑑𝑑𝑑𝑑 2(1)

ここで、𝑦𝑦は余剰次元方向、𝐴𝐴(𝑦𝑦)と𝐵𝐵(𝑡𝑡)はそれぞれ warp factor と scale factor を表す。このようなモデルはすでに提唱されていたが[2-3]、
当時は Hubble 定数の正確な値が知られていなかったこともあり、議論は不完全なままで終わっていた。そこでまず本研究では、(1)式を基にしたバルクに matter のないモデル(de Sitter thin brane model)において、上記の階層性問題がどのように説明されるかを検証し、コンパクト化によって生じる Kaluza-Klein モードの解析を行った。その結果、4 次元の非常に大きな階
層性は 5 次元の𝒪𝒪(102)の階層性で説明され、また、Kaluza-Klein モードの mass が weak scale 程度のオーダーであることが分かった。更に、Hubble 定数が Planck スケールに比べて非常に小さいこと(𝑀𝑀pl /𝐻𝐻 ~ 𝒪𝒪(1061))も、上記の 5 次元の階層性で表されることも分かった[4]。
このように、ブレーンワールドを用いることによって、階層性問題へのアプローチと加速膨張宇宙の再現の両立が可能であることが示された。しかしながら、このモデルでは Hubble 定数が時間に依存せず、手で与える量でしかない。そのため、ビッグバン以降の宇宙の複雑な時間発展を記述することができない。そこで、様々な計量の形やバルクに matter(スカラー場)を導入することを考えた。その結果、
4 次元時空が時間依存した加速膨張をし得るためには、時間𝑡𝑡に依存するスカラー場をバルクに導入しなければならず、さらにそのスカラー場の運動項の符号が逆、即ちゴースト場にならざるを得ないことが分かった。当然ながら、ゴースト場は理論を不安定にするため、ブレーンワールドを用いた加速膨張宇宙の実現が不可能であるように思われる。一方で、Weyl モデルという、計量条件を課さない重力理論を用いることにより、この問題の解決できるのではないかという提案もある[5]。
本発表では、de Sitter thin brane model に対する研究結果を述べ、Hubble 定数に時間依存性を持たせる方法について紹介する。
References[1] L. Randall and R. Sundrum, Phys. Rev. Lett. 83 3370 (1999), Phys. Rev. Lett. 83 4690 (1999)[2] N. Kaloper, Phys. Rev. D 60 (1999) 123506.
[3] M. K. Parikh and S. N. Solodukhin, Phys. Lett. B 503 (2001) 384.
[4] M. Nishi, “De Sitter thin brane model”, PTEP (2016) 073B08.
[5] M. Gogberashvili and D. Singleton, Mod. Phys. Lett. A 25 (2010) 2131

Black hole microstates with a new constituent
YITP High Energy Physics GroupMinkyu Park

Abstract Microstate geometry program is a conjecture about black hole microstates that typicalmicrostates are described as smooth and horizonless supergravity solutions which have the same
mass, angular momentum, and charges as that of black holes. We present a new class of microstatesolutions of black holes.
c 2018 Department of Physics, Kyoto University

One interesting property of black holes is that they obey thermodynamic laws. The entropy of
black holes is given by the area of the horizon and it is naturally expected to be understood fromthe statistical mechanical viewpoint. However there has not been many things known about blackhole microstates in the gravity, even though their holographic understanding has been well-known.
In microstate geometry program, e.g., [1], which is a conjecture about black hole microstates, typicalmicrostates are described as smooth and entropyless (i.e., horizonless) supergravity solutions whichhave the same mass, angular momentum, and charges as that of black holes. In this thesis, a new classof black hole microstates are suggested and studied in addition to the known microstate solutions anddiscussed in the context of microstate geometry program. The thesis is based on the work [2, 3] which
I was involved.
For supersymmetric three- and four-charge black holes, five-dimensional N = 2 supergravity coupled to vector multiplets is a very useful framework to construct a family of their microstate solutions
as smooth and horizonless geometries. They are represented by a set of harmonic functions on R3
with codimension-3 sources. However the entropy of these solutions seems not enough to account for
the entropy of the corresponding black holes [4, 5]. In this thesis, we present another possible microstate solutions given by harmonic functions having codimension-2 sources and study some explicit
examples. In general, they exhibit non-Abelian U-duality monodromies around them and are involved
with non-geometric exotic brane charges. We expect that these new class of microstate solutions shedsome light on the understanding of microstructure of black holes.
References[1] I. Bena and N. P. Warner, 1311.4538.
[2] M. Park and M. Shigemori, JHEP 10 (2015) 011, [1505.05169].
[3] J. J. Fernández-Melgarejo, M. Park and M. Shigemori, JHEP 12 (2017) 103, [1709.02388].
[4] J. de Boer, S. El-Showk, I. Messamah and D. Van den Bleeken, JHEP 02 (2010) 062, [0906.0011].
[5] I. Bena, N. Bobev, S. Giusto, C. Ruef and N. P. Warner, JHEP 03 (2011) 022, [1006.3497].

Toward a precision cosmological test of gravity fromredshift-space bispectrum based on perturbation theory
基礎物理学研究所 宇宙グループ

橋本一彦

Abstract Based on perturbative calculations, we develop an improved theoretical model for
redshift-space bispectrum of large-scale structure, which will be used to probe gravity on cosmologicalscales. We test the model against simulations, and show that combining with power spectrum, robust testof gravity is made possible, reducing the statistical errors.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

Despite the success of the standard cosmological model that consistently explains the observation of the cosmic
microwave background and large scale structure traced by galaxies, cosmology still faces several fundamental
problems. One such problem is the origin of late-time cosmic acceleration. To clarify this, in precision cosmology
era, a gigantic data will be obtained from upcoming surveys, and measurement of statistical quantities will bemade very precisely. Toward future cosmological analysis, improving the accuracy of theoretical template israther essential for robust constraint and/or parameter estimation.
So far, the cosmological constraints on gravity and/or dark energy, obtained from large-scale structure
observations, has been mainly made with the theory and measurement of the two-point statistics. However, thelarge-scale galaxy distribution in the late-time universe exhibits gravity-induced non-Gaussianity, and thebispectrum, three-point cumulant is expected to contain significant cosmological informations together withpower spectrum (e.g., [1]). In particular, the measurement of the bispectrum helps to tighten the constraints ondark energy and modified gravity through the redshift-space distortions (RSD). In this thesis, extending the workby Taruya, Nishimichi & Saito [2], we present a perturbation theory (PT) based model of redshift-spacebispectrum that can keep the non-perturbative damping effect under control [3]. Characterizing thisnon-perturbative damping by a univariate function with single free parameter, the PT model of the redshift-spacebispectrum is tested against a large set of cosmological N-body simulations, finding that the predicted monopoleand quadrupole moments are in a good agreement with simulations at the scales of baryon acoustic oscillations(well beyond the range of agreement of standard PT). The validity of the univariate ansatz of the damping effect isalso examined in the case of matter bispectrum, and with the PT calculation at next-to-leading order, the fitted
values of the free parameter is shown to consistently match those obtained from the PT model of power spectrumby Taruya, Nishimichi & Saito [2].
Toward a practical application of our template, we have also developed several techniques suited forcosmological data analysis, i.e., fast bispectrum estimation with fast Fourier transform and accelerated
calculations for PT template. Applying these methods to the matter and halo catalogs and employing theMarkov-chain Monte Carlo technique, we demonstrate that our improved bispectrum template reproduces thefiducial value of the growth rate, the key parameter to probe gravity on cosmological scales, well within 3%
accuracy. Combining the bispectrum data with power spectrum data, the constraint on the growth rate is shown tobe tightened, compared to the cases with power spectrum or bispectrum alone.

References[1] Y.-S. Song, A. Taruya, and A. Oka, JCAP, 1508(08):007, (2015).
[2] A.Taruya,T.Nishimichi,andS.Saito, Phys. Rev., D82:063522, (2010).
[3] Ichihiko Hashimoto, Yann Rasera, and Atsushi Taruya, Phys. Rev., Vol. D96, No. 4, p. 043526, (2017).

反ミューオンニュートリノと核子のパイ中間子の生成を伴わない荷電カレント反応断面積の測定
高エネルギー物理学研究室 林野 竜也
Abstract We measured the cross section of the charged-current interaction of muon antineutrino andnucleus without pions in the final state by the T2K on-axis near detector. The current analysis status andthe prospect will be presented.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

T2K 実験はニュートリノフレーバーの変化の精密測定を行う長基線ニュートリノ振動実験である。これは、茨城県東海村にある大強度陽子加速器研究施設 J-PARC で生成されたミューオンニュートリノを生成点から 280m 離れた前置検出器と、295km 離れた後置検出器スーパーカミオカンデで観測し、結果を比較することでニュートリノ振動パラメータを測定する。[1]T2K 実験は 2017 年 8 月に新たな結果を発表し、ニュートリノの CP 位相角、δCP が 0 でないことを 95%の信頼度で示した。現在の最大の誤差は統計誤差であるが、今後統計がたまるにつれ系統誤差の削減が重要となる。そこで私は主要な系統誤差であるニュートリノ反応モデルの不定性をより良く理解するた
め反ミューオンニュートリノのパイオンを伴わない荷電カレント反応(以下、CC0π反応)の反応断面積の測定に取り組んできた。
CC0π反応は荷電カレント準弾性散乱反応(、以下 CCQE 反応)を主とする反応であり、T2K 実験のニュートリノ振動測定のシグナルモードである。ニュートリノの荷電カレント準弾性散乱反応は複数の実験で測定されているが[2][3][4]、すべての実験を統一的に説明できるモデルが存在しない。近年、ニュートリノが 2 つの核子と反応する 2p-2h 反応[5]などが一部の実験の CCQE 反応の測定に影響している可能性が指摘されている。そこで、私は CC0π反応の反応断面積を測定し CCQE 反応や 2p2h反応などのモデルの検証をおこなう。
T2K 前置検出器ホールのビーム軸上に置かれた Proton Module はプラスチックシンチレータからなる
全感知型飛跡検出器であり、この検出器をニュートリノ標的と飛跡再構成に用いる。また Proton Moduleのすぐ下流にある、鉄とシンチレータのサンドイッチ構造の INGRID 検出器でミューオンを同定し運動量を測定する(Fig. 1)。
本発表では、これらの検出器を用いた CC0pi 反応の断面積測定について発表する。

[1] K.Abe et al, Nucl,Instrum.Meth.A 659 106 (2011)[2] A.A. Aguilar-Arevalo et al., Phys. Rev. D88, 032001 (2013)[3] G.A. Fiorentini et al., Phys. Rev. Lett. 111, 022502 (2013)[4] V. Lyubushkin et al., Eur. Phys. J. C63, 355 (2009).
[5] R. Gran, J. Nieves, F. Sanchez, and M. J. Vicente Vacas. Phys. Rev.
D 88, 113007 (2013)

Fig. 1 Proton Module and INGRID

Simulating Extreme Spacetimes on the Computer
Yukawa Institute for Theoretical Physics Joseph M. Fedrow

Abstract. Having entered the new epoch of gravitational wave astronomy, numerical
relativity is now more necessary than ever before. In this thesis we develop the tools
necessary to explore this new field with one eye on the computer and the other eye on the
Universe.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

The main results of this thesis are those recently published in Physical Review Letterswhere we investigated the gravitational wave signature of binary black holes (BBHs)
merging inside of a collapsing star. This investigation was motivated by the proposedstellar core fragmentation scenario for BBH formation and the associated possibility of anelectromagnetic counterpart to a BBH GW event. We employ full numerical relativity
coupled with general-relativistic hydrodynamics and set up a 30 + 30 solar mass BBH(motivated by GW150914) inside gas with realistic stellar densities.
Our results are the first of their kind and show that at high enough densities dynamical
friction between the BHs and gas changes the coalescence dynamics and the GW signal in
an unmistakable way. We show that for GW150914, LIGO observations conclusively ruleout BBH coalescence inside stellar gas of typical stellar densities. This excludes thefragmentation scenario for the formation of GW150914.
The results of this thesis show how numerical relativity allows us to use computers to
discover new insights about the most extreme spacetimes in the Universe.

References[1] Fedrow et al. Gravitational Waves from Binary Black Hole Mergers Inside of Stars Phys. Rev. Lett. 119,171103

超新星残骸γ-Cygni からのガンマ線放射の観測
宇宙線研究室増田周

Abstract Supernova remnants are one of candidates of the source of Galactic cosmic rays. We observed
the middle-aged supernova remnant γ-Cygni with MAGIC telescope and Large Area Telescope on board
Fermi satellite and detected very high energy gamma rays. We found a hint of escaping cosmic rays fromthe shock front.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

超新星残骸は銀河系内の宇宙線加速源の有力な候補である。宇宙線は星間磁場により進路を曲げられるため到来方向の情報を失う。一方、宇宙線の加速現場、あるいはその近傍ではガンマ線が放射される
ため、加速源を探るための重要なプローブとなる。これまで Fermi 衛星の観測により、中年齢の超新星
残骸 W44 と IC443 から、加速陽子と星間物質との衝突で生じた中性パイオン崩壊を起源とするガンマ線放射が検出されている[1]。さらに加速現場の超新星残骸から脱出した陽子が近傍の分子雲等に衝突して放射されたガンマ線が Fermi や H.E.S.S.望遠鏡によって観測されている[2],[3]。
超新星残骸γ-Cygni は中年齢(～8 kyr)で、電波で明るいシェル(衝撃波面)を持つ。この天体が位置する Cygnus 領域は星形成領域で濃い星間物質が存在しており、陽子起源のガンマ線の検出が期待できる。これまでに Fermi と VERITAS 望遠鏡によってこの天体が観測されており、数 GeV で超新星残骸全体を覆う σ～0.6°に、数十 GeV 以上で北西シェルに狭く σ～0.2°に拡がったガンマ線放射を検出している[4],[5],[6]。しかし、その放射機構は明らかになっていない。
2015、2017 年に MAGIC 望遠鏡で γ-Cygni
を計 116 時間観測した。VERITAS で検出した
北西シェル上の狭い領域のガンマ線放射を確認し、さらにそこからシェルの外縁に沿って南西の方向に拡がったガンマ線放射を検出した(Fig. 1)。これは衝撃波面で加速され脱出した陽子が、周囲の星間物質に衝突し、中性パイオン崩壊によりガンマ線で光っているものと考えられる。年齢を 8 kyr、距離を 1.7 kpc と仮定すると、拡散係数は D ～2.8×1026 cm2 s-1 となり、これは銀河系内のE = 20 TeV における値よりも 300 倍程度低い値である。
本発表では MAGIC、Fermi によるガンマ線観測の解析結果を述べるとともに、γ-Cygni Fig. 1. Gamma-ray flux map with MAGIC (E > 200 GeV),
におけるガンマ線放射起源の解釈について overlaid on the test statistic count contours at 3 and 5σ inyellow. White contours show the CGPS 408 MHz radio
多波長の観測結果を踏まえて議論する。
continuum [7].

References[1] M. Ackermann et al., Science 339, 807 (2013)[2] Y. Uchiyama et al., ApJL 749, L35 (2012)[3] H.E.S.S. Collaboration, A&A, in press; arXiv:1609.08671.
[4] J. Lande et al., ApJ 756, 5 (2012)[5] N. Fraija and M. Araya, ApJ 826, 31 (2016)[6] E. Aliu et al., ApJ 770, 93 (2013)[7] A. R. Taylor et al., AJ 125, 3145 (2003)

Investigation of the Formation Process of Recombining Plasmas in
the Galactic Supernova Remnants with Suzaku X-ray Observatory
宇宙線研究室	  	  松村英晃	 Abstract We performed spatially resolved spectral analyses of X-ray emissions in the Galactic supernova
remnants, and investigated the origin of recombining plasmas (RPs). The analyses reveal goodcorrelations between the electron temperatures of the RPs and locations of molecular clouds. The RPs canbe explained well by the thermal conduction scenario.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

In a supernova remnant (SNR) plasma, ions are gradually ionized by collisions with electrons. The plasma
reaches a collisional ionization equilibrium (CIE) after ~105 yr. Since most of SNRs have an age of ≲ 104 yr, SNR
plasmas	 are naturally expected to have an ionization degree below the equilibrium and to be in an ionization-dom
inant state. It was found that many SNRs indeed have ionization-dominant plasmas through X-ray observations.
Recent observations with Japanese X-ray satellite, ASCA and Suzaku, however, revealed peculiar plasmas insome SNRs, which have higher ionization degree than expected in a CIE [1–3]. The plasmas are thought to be in arecombination-dominant state, and thus called recombining plasmas (RPs). Such plasmas are not anticipated in thestandard picture of the SNR plasma evolution described above. Although some scenarios are proposed to explain
the RPs, the formation process of the RP is not fully understood yet. In any scenario, a key seems to beinteractions between the SNR and ambient dense gas [1][4].
To understand the formation process of RPs, we perform spatially resolved spectroscopic analyses of X-ray
emissions from the Galactic SNRs, G166.0+4.3 [5], IC 443 [6], W44, and W49B with Suzaku. We compare
spatial variations of physical parameters of the RPs with distributions of the ambient gas. In all the remnants, thespectral analyses reveal good correlations between locations of plasmas with lower electron temperatures andthose of surrounding dense molecular clouds. The lower electron temperatures of the RPs can be explained wellby the thermal conduction between an SNR plasma and a molecular cloud. For a more quantitatively investigation,
we estimated cooling timescales of the thermal conduction in each remnant. In all the remnants, the conduction
timescales are shorter than a characteristic timescale for a plasma to reach CIE. Therefore, we conclude that theRPs can be realized by the thermal conduction scenario.
60

IC 443t cond50

Time (kyr)

40

t age

30

t CIE

20
10

ne,VEM
0

0.00

0.06
0.11
0.17
0.22
kTe of the RP cold comp. (keV)

0.28

0.30

0.37
0.45
0.52
0.60
kTe of the RP hot comp. (keV)

0.67

Fig. 1: Maps of the electron temperatures (kTe) of RP components withlower (left) and higher (right) kTe bands in IC 443 [6]. The red contours
indicate a 12CO(J=2–1) to 12CO(J=1–0) intensity ratio map [7].

0

0.5

1
1.5
2
2.5
Electron density (cm-3)

3

Fig. 2: A conduction timescale of IC 443 as afunction of electron density (black solid line).
The green and red solid lines show the age ofIC 443 [8] and the characteristic timescale fora plasma to reach CIE [9].

References[1] M. Kawasaki et al., ApJ, 572, 897 (2002).

[4] H. Itoh & K. Masai, MNRAS, 236, 885 (1989). [7] S. Yoshiike, PhD thesis, Nagoya Univ. (2017).

[2] H. Yamaguchi et al., ApJL, 705, L6 (2009).

[5] H. Matsumura et al., PASJ, 69, 30 (2017).

[8] C. M. Olbert et al., ApJL, 554, L205 (2001).

[3] M. Ozawa et al., ApJL, 706, L71 (2009).

[6] H. Matsumura et al., ApJ, 851, 73 (2017).

[9] K. Masai, ApJ, 437, 770 (1994).

連星中性子星合体 GW170817 はr プロセス元素の起源となりえるか?
天体核研究室松本達矢

Abstract We discuss the possibility that the Macronova in GW170817 is powered by the central engine
activities after the binary merger. We find that the engine activities can reproduce the Macronova byejecta with the solar abundance pattern, which suggests that binary neutron star mergers can be an originof r-process elements.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

2017 年 8 月 17 日に連星中性子星合体によって放射される重力波が検出された[1]。連星中性子星合体
は重力波以外にも様々な波長の電磁波を放射すると期待されていたため、ガンマ線から電波に至るあらゆる波長で追観測が行われた。特に、可視・近赤外線で観測された天体はマクロノバ(またはキロノバ)と呼ばれており、多くの観測グループが検出を報告した[2]。
マクロノバは連星合体で放出される物質中の r プロセス元素が放射性崩壊して輝く現象だと考えられてきた（以下、r プロセスモデルという）。放出される物質は中性子過剰であるため、r プロセスによって重元素が合成されると考えられる。これら r プロセス元素が放射性崩壊して放出物質自体を加熱し、可視から近赤外線で輝くのである。8 月に観測されたマクロノバは r プロセスモデルにもとづいて説明することはできるが、必要な重元素量が太陽組成と整合的かよくわかっていない。
そこで我々は r プロセス元素の加熱に代わり、中心エンジンによりマクロノバを駆動するモデルを提案する。本モデルでは、合体後に形成されるブラックホールからなる中心エンジンがエネルギーを放出
物質に注入することでマクロノバを説明する。我々は観測的に示唆される中心エンジンの活動を用いて、観測されているマクロノバを説明できることを見出した(Fig.1)。さらに、本モデルは放出物質の量や組成を太陽系での値としても観測を説明できるので、連星中性子星合体が r プロセス元素の起源である
ことと整合する。

Jet-powered cocoon

Absolute Magnitude

-16
-15

16

g
r
i
z
J
Merger ejecta H
K

17
18

-14

19

-13

20

-12

21

-11

Apparent Magnitude (d=40Mpc)

-17

22
0

2

4
6
8
10
Time since GW170817 [day]12

14

Fig 1. The light curves of Macronova associated with GW170817. Each color
represents the light curve in each band. The solid and dashed curves show thelight curves of the jet-powered cocoon and the reprocessed emission from themerger ejecta, respectively. The data points are taken from [2].

References[1] Abbott, B. P., et al. 2017, Physical Review Letters, 119, 161101[2] Kasliwal, M. M., et al. 2017, Science, 10.1126/science.aap9455, Drout, M. R., et al. 2017, Science, eaaq0049

Analysis of Λ(1405)
based on chiral SU(3) dynamics
Nuclear Theory group

Kenta Miyahara

Abstract We develop the reliable KbarN and KbarN-πΣ potentials based on the chiral SU(3) dynamics.
The potential construction method and the new treatment of the resulting energy-dependent potential are
established in this thesis. Applying them, we analyze the Λ(1405) and the related Kbar nuclear systems.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

In recent hadron physics, one of the most active works is the search for exotic hadrons with different structurefrom the ordinary meson (quark-antiquark) or baryon (three-quark) states. The Λ(1405) baryon resonance is apromising candidates, expected to be the molecular state of an antikaon (Kbar) and a nucleon (N) decaying to apion (π) and a Sigma baryon (Σ). This picture leads to the prediction of related interesting states, Kbar nuclei,
consisting of an antikaon and nuclei. Thanks to the recent precise experiment by the SIDDHARTA Collaboration,
we are at the stage of quantitative discussion to elucidate the nature of these states. However, the two-bodypotential, which is the fundamental building block for the theoretical study, has not been constructed in a realistic
form. In this thesis, we construct reliable potentials between the meson and baryon which compose the Λ(1405).
In the former part of this thesis, we first establish the potential construction procedure. To theoreticallyextrapolate the experimental data to the Λ(1405) energy region directly inaccessible by the K-p scatteringexperiments, we employ the chiral unitary approach which respects the chiral SU(3) symmetry in quantum
chromodynamics and the unitarity of S matrix of the two-body scattering. Next, we construct the local potential
used in the Schrodinger equation which equivalently reproduces the results of chiral unitary approach. Here, thequantitative reproducibility is necessary not only on the real energy axis but also in the complex energy plane,
because the essential information of the Λ(1405) is included in the complex plane as a resonance pole. With the
newly developed procedure, we obtain the energy-dependent complex and real potentials in the KbarN and
KbarN-πΣ systems, respectively. The results for the KbarN and KbarN-πΣ potentials are respectively
summarized in Refs. [1] and [2].
As the first application of the simpler single-channel potential, we calculate the Kbar nuclei up to seven-bodysystems with the accurate few-body calculation method [3]. In the KbarNN system, relatively small binding
energy is obtained, and in seven-body system, the possibility of the inversion of the level ordering is predicted.
For more detailed discussion of some states near the πΣ threshold, the explicit treatment of lower channels likethe πΣ would be necessary. Next, we theoretically predict the K-p correlation function in heavy-ion collisions[4,5]. We find the unique isospin combination in the correlation function, which would lead to complementary
information of the KbarN interaction to the ordinary K-p scattering amplitudes.
In the latter half of this thesis, we discuss how to analyze the wave function from the resulting
energy-dependent potential which breaks the essential requirements of the quantum mechanics, the norm
conservation and the orthogonality relation [1, 2]. To recover them, we derive the new normalization scheme in
the non-Hermitian system with the energy-dependent potential, respecting the continuity equation. Furthermore,interpreting the origin of the energy dependence in terms of the channel elimination, we reveal the meaning of the
new scheme in association with the compositeness and the elementariness [2]. With this new formulation, we
analyze the compositeness and the spatial structure of the Λ(1405) to confirm the KbarN molecular picture.
[1] K. Miyahara and T. Hyodo, Phys. Rev. C93, 015201 (2016).
[2] S. Ohnishi, W. Horiuchi, T. Hoshino, K. Miyahara and T. Hyodo, Phys. Rev. C95, 065202 (2017).
[3] K. Miyahara, T. Hyodo and W. Weise, in prepariation[4] A. Onhishi, K. Morita, K. Miyahara and T. Hyodo, Nucl. Phys. A954, 294 (2016).
[5] ExHIC, S. Cho et al., Prog. Part. Nucl. Phys. 95, 279 (2017).

ΛcN interaction from lattice QCD
and its application to Λc hypernuclei
基礎物理学研究所 素粒子論グループ

宮本貴也

Abstract We investigate the two-body interaction between Λc and a nucleon (N) in the (2+1)-flavor
lattice QCD on a (2.9 fm)3 volume at mπ ~ 410, 570, 700 MeV. We also study possible Λc hypernuclei
from obtained potentials. Our results suggest that Λc hypernuclei can exist for A ≧ 12 with the binding
energies of a few MeV.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

Understanding the baryon-baryon interactions is one of the most important topics in hadron physics. The
meson-exchange models are good descriptions for the baryon-baryon interactions and it has been constructedsuccessfully to reproduce the properties of the low-energy nucleon-nucleon (NN), hyperon-nucleon (YN)
scattering and the finite (hyper-) nuclei. The constituent quark models have also been developed to investigate thebaryon-baryon interactions. In general, these two approaches give coincident results.
Recently, these two approaches are applied to charmed baryon systems [1,2]. In Ref. [1], ΛcN interaction isinvestigated with the one-boson-exchange potential (OBEP) model based on the heavy quark effective theory, andthe authors claim that the ΛcN interaction is strong enough to form a two-body bound state though the results arerather sensitive to the model parameters. On the other hand, the study within a framework of the constituent quark
model [2] suggests that the ΛcN two-body bound state is not likely.
The aim of this work is to shed a new light on the problem of the ΛcN interaction from first-principles lattice
QCD simulations. For this purpose, we employ the HAL QCD method [3] in the (2+1)-flavor lattice QCD on a
(2.9 fm)3 volume at mπ ~ 410, 570, 700 MeV. We first calculate the ΛcN central and tensor potentials from
Nambu-Bethe-Salpeter wave functions, which is faithful to the QCD S-matrix below the inelastic threshold, sothat we can correctly calculate the ΛcN elastic scattering phase shift. We find that the ΛcN interactions are
attractive at low-energies but they are not strong to form the two-body bound state at least mπ > 410 MeV [4,5,6].
We also find that the phase shift and the scattering length in 1S0 channel are very similar to those in the 3S1-3D1
channels, which imply that the ΛcN interaction is almost spin-independent [6].
We next consider an application of the HAL QCD potentials to possible Λc hypernuclei. We construct asingle-folding potentials for Λc hypernuclei and estimate the binding energies of Λc with several light- andheavy-nuclei, by using the Gaussian expansion method. Our results suggest that the Λc hypernuclei can be exist
for A ≧ 12 with the binding energies of a few MeV [6].

References[1] Y. R. Liu, M. Oka, Phys. Rev. D85 (2012) 014015.
[2] H. Huang, J, Ping and F. Wang, Phys. Rev. C87 (2013) 034002.
[3] N. Ishii, S. Aoki and T. Hatsuda, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 022001.
[4] T. Miyamoto et al. [HAL QCD Collaboration], PoS LATTICE 2015 (2016) 090.
[5] T. Miyamoto et al. [HAL QCD Collaboration], PoS LATTICE 2016 (2017) 117.
[6] T. Miyamoto et al. [HAL QCD Collaboration], [arXiv:1710.05545 [hep-lat]].

MAIKo アクティブ標的を用いた巨大双極子共鳴領域における
4
He 光分解反応の断面積測定
原子核・ハドロン物理学研究室

村田求基

Abstract
The photodisintegration of 4He has been investigated, but its cross section in the giant dipole resonance(GDR) region is still unclear. We developed an active target system, MAIKo to measure the two dominant
reaction modes, 4He(γ, pt) and 4He(γ, 3He)n in the energy range from the decay threshold to the GDR
region.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

He は最も軽い自己共役 (N=Z) な閉殻原子核であり、その単純な組成からより複雑な核子多体系を理解するためのベンチマークとしての役割を果たしている。また、原子核の 10〜20 MeV 程度のγ線吸収
反応は、陽子と中性子が逆位相で振動するアイソベクター型巨大双極子共鳴 (GDR)への励起が支配的であるという描像が確立され、多くの安定原子核で系統的な理解がなされている。
しかしながら、4He 原子核の GDR 領域 (Eγ=20〜30 MeV) における光分解反応に関する実験データには未だ大きな不定性が残されている。4He 原子核の光分解反応測定実験は 1960 年代以来行われてきた。多くのグループによって報告された反応断面積は、Eγ=30 MeV 以上の領域では互いに整合的である。一方、
4
He の 2 体崩壊閾値エネルギーである 20 MeV から 30 MeV までのエネルギー領域の反応断面積は、Eγ=25
MeV 付近に GDR のピークを持つ傾向こそ一致するものの、絶対値は最大で約 2 倍異なっている。さらに、
近年 4He ガスを用いたアクティブ標的による実験により報告された反応断面積は、20〜30 MeV には GDRのピークがなく、このエネルギー領域で単調増加するという、従来のどの実験結果とも異なる傾向を示した[1]。この実験の結果は、現実的核子間相互作用をもとにした第一原理理論計算とも一致しない[2]。
GDR 領域における 4He 光分解反応は少数核子系の統一的な理解のために重要であるだけでなく、ビッ
グバン元素合成や超新星爆発によって放出されるニュートリノが引き起こす元素合成過程[3]のシナリオの確立にも重要であると考えられている。そのため、実験手法を改善して再測定を行い断面積の不定性を小さくすることが重要である。
こうした先行研究の状況に鑑み、4He 原子核の GDR 領域である 20〜30MeV までのγ線による光分解反応を測定することを目的とする研究を計画した。
本研究では、4He 主体のガスを粒子検出のために用いる TPC (Time Projection Chamber) を反応の標的としても用いる MAIKo アクティブ標的というシステムを開発し、光分解反応の測定を実施する。TPC
は飛跡検出器であるため、このエネルギー領域で支配的な 4He(γ,pt)反応と 4He(γ,3He)n の２つの反応と背景事象を飛跡の形状によって区別することができる。そのため、背景事象を排除して 2 種類の反応を同一セットアップで同時に測定することが可能である。また、アクティブ標的は標的自身が検出器となるため、通常の検出器系では困難な標的中で全運動エネルギーを損失し静止する低エネルギー荷電粒子の検出ができる。そのため、光分解反応閾値近傍のエネルギー領域での測定が可能である。
実験はニュースバル放射光施設の BL01[4]で実施予定である。このビームラインでは、電子シンクロ
トロンに蓄積された、T = 0.5〜1.5 GeV までの電子にレーザー光を入射し、180 度方向に散乱された光子を用いるという逆コンプトン散乱によって準単色なγ線ビームを生成することができる施設である。
ニュースバル放射光施設 BL01 において MAIKo アクティブ標的を用いてテスト実験を実施した。
本発表では、テスト実験のデータの解析状況と来年度実施予定の本実験への展望について述べる。
4

References[1] T. Shima et al., Phys. Rev. C 72, 044004 (2005).
[2] W. Horiuchi at al., Phys. Rev. C 85, 054002 (2005).
[3] T. Suzuki and T. Kajino, J. Phys.G: Nucl Part. Phys. 40, 083101 (2013).
[4] S. Amano et al., Nucl. Instrm. Methods Phys. Res. A, 602, 337 (2009).

Role of axial anomaly and nesting in the inhomogeneouschiral phase
Nuclear Theory GroupRyo Yoshiike

Abstract Axial anomaly and nesting are elucidated in the context of the inhomogeneous chiral phase.
Using the Nambu-Jona-Lasinio models in 1+1 dimensions, we shall discuss them from two different
points of view: one is inhomogeneous chiral phase and the other is the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov
state of superconductivity.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

Inhomogeneous chiral phase (iCP) has been expected to appear in the moderate density region in the QCD
phase diagram, where chiral condensate is spatially modulating. If iCP is realized, it may give rise to various
phenomenological consequences such as spontaneous magnetization, fast cooling in compact stars or anomalous
entropy production in the course of heavy-ion collisions.
It has been known that axial anomaly and nesting play important roles for iCP. Axial anomaly drasticallychanges the properties of iCP through anomalous particle production and the extension to the low density region
for iCP [1]. Nesting, which is well-known in condensed matter physics as the driving mechanism for spatiallynonuniform structures such as charge and spin density waves, may be responsible for formation of iCP as well [2].
To get deeper understanding of those prominent concepts in iCP, we use the Nambu-Jona-Lasinio model in 1+1
dimensions; since these concepts are essentially based on symmetry itself and geometry of the Fermi surface, one
may discuss them more clearly without loss of generality. Then we can utilize the duality transformation in 1+1
dimensions. Thies has pointed out that there is a duality relation between chiral transition and a kind of
superconductivity [3]. After the duality transformation, chemical potential can be regarded as an effective
magnetic field. It is well known in condensed matter physics that the BCS state changes to the Fulde-FerrellLarkin-Ovchinnikov (FFLO) state, beyond the lower critical magnetic field (hc), where the Cooper paircondensate is spatially modulating [4]. Thus iCP at finite density is mapped into the problem of the FFLO state [5].
For example, chiral spiral phase, a kind of iCP, is mapped into Fulde-Ferrell (FF) state. In the following, we
briefly describe our result for this case.
First, we discuss how axial anomaly is mapped by the duality transformation. After the duality transformation,
we see a different manifestation of axial anomaly: anomalous magnetization is generated in the FF state instead of
anomalous particle number. Furthermore, due to axial anomaly, the phase diagram becomes much different fromthe one for the FF state in condensed matter physics, where hc >0. The FF state develops, once the magnetic field
is applied, i.e., hc =0.
Next we discuss how nesting plays in the context of iCP, compared with the anomaly-free model. In theanomaly-free model, we can see nesting works for iCP in the same way of charge and spin density waves. Afterthe duality transformation, we show that the different type of nesting works in the FF state as in the condensed
matter physics. However, axial anomaly conceals nesting effect; it brings about the chiral spiral or the FF state
irrespective of nesting effect. Therefore, the result implies the possibility of the new type of superconductivity.
References[1] T. Tatsumi, K. Nishiyama, and S. Karasawa, Phys. Lett. B743, 66 (2015).
[2] E. Nakano and T. Tatsumi, Phys. Rev. D71, 114006 (2005).
[3] M. Thies, Phys. Rev. D68, 047703 (2003).
[4] P. Fulde and R. A. Ferrell, Phys. Rev. A135, 550 (1964); A. I. Larkin and Y. N. Ovchinnikov, Zh. Eksp. Teor.
Fiz. 47, 1136 (1964).
[5] R. Yoshiike and T. Tatsumi, arXiv:1711.11425 [hep-ph] (2017).

Scrambling and Complexity in AdS/CFT and Black Holes
基礎物理学研究所 素粒子論グループ

渡邊 賢人

Abstract Recent collaborations of quantum information theory with AdS/CFT and black holes haveopened up new horizons of physics. We discuss fast scrambling in AdS/CFT and black holes. And we
proposed a definition of complexity of states in CFTs based on “optimization” of Euclidean
path-integrals.
© 2018 Department of Physics, Kyoto University

近年、量子情報理論の場の理論や双対重力理論への応用は様々な興味深い発展を生み出し続けている。
その発展の中で、ブラックホールは常に極めて重要な役割を果たしてきた。例えば、量子情報のスクラ
ンブリング（擾乱）や量子状態の計算複雑度の時間発展は、ブラックホール情報問題を動機とした様々な思考実験により理解が進み、その速度の上限がブラックホールにより満たされることが予想された[1]。
その予想は AdS/CFT 対応を用いた研究[2]において確認された後、場の理論の量子カオス的な性質と結び付けられ、最近の研究の潮流を生んでいる[3]。
このような発展の中、我々は、 [2]において重力側で計算された相互情報量を対応する共形場理論での計算により、ブラックホールの満たす速いスクランブリング時間が再現できることを示した[4]。
また、スクランブル時間以降の時間の物理においても、ブラックホールは大きな示唆を与えている。
擾乱により部分系での熱化が起こると、エントロピーの視点からは系のダイナミクスが平衡に達する。
しかしながら、重力側ではブラックホールの内部の体積が増加し続けることが知られていた。その時間
発展を検知するにはより解像度の高い指標が必要となる。最近、量子状態の計算複雑度をその指標の候補として、その重力双対の提案がなされた。その重力双対は余次元１の曲面の最大体積[5]、もしくは、余次元０の因果的円錐中の作用[6]という量で、すぐさま様々な研究がなされるようになった。
重力双対の理解が進む一方、計算複雑度は場の理論でのよい定義の仕方が見つかっていない状況にある。そこで、我々は「経路積分の効率化」という新しい方法を用いて、共形場理論において量子状態の計算複雑度を定義し、単純な状態に対してその性質を調べた[7]。
本発表では、量子情報のスクランブリング（擾乱）や量子状態の計算複雑度に関する我々の仕事[4,7]について議論を行う。

References[1] Y. Sekino and L. Susskind, JHEP 0810, 065 (2008); P. Hayden and J. Preskill, JHEP 0709, 120 (2007).
[2] S. H. Shenker and D. Stanford, JHEP 1403, 067 (2014).
[3] J. Maldacena, S. H. Shenker and D. Stanford, JHEP 1608, 106 (2016);
J. Maldacena and D. Stanford, Phys. Rev. D 94, no. 10, 106002 (2016).
[4] P. Caputa, J. Simón, A. Štikonas, T. Takayanagi and K. Watanabe, JHEP 1508, 011 (2015).
[5] L. Susskind, Fortsch. Phys. 64, 24 (2016).
[6] A. R. Brown, D. A. Roberts, L. Susskind, B. Swingle and Y. Zhao,
Phys. Rev. Lett. 116, no.19, 191301 (2016).
[7] P.Caputa, N. Kundu, M. Miyaji, T. Takayanagi and K. Watanabe,
Phys. Rev. Lett. 119, no. 7, 071602 (2017); JHEP 1711, 097 (2017).