素・核理論

原子核理論

教員

教授/肥山 詠美子
准教授/佐々木 勝一 HP 准教授/古城 徹
助教/遠藤 晋平 助教/小野 章 助教/谷村 雄介 助教/富樫 甫

原子核理論研究室では、自然界で知られている4つの基本相互作用の一つである「強い相互作用」に関係した非常に広範囲の理論的研究を行っています。図の右から左に向かって、長さのスケールで見たときの分子から素粒子までの階層構造を表しています。

強い相互作用は、約10-14 m以下のミクロな世界でのみ働く力で、大きく二つの階層に分類できます。一つは多数のクォーク・グルーオンから成る量子多体系としてのハドロン(陽子や中性子などの重粒子やπ中間子などの中間子およびその励起状態)が研究対象となる階層です。もう一つは、多数の核子(陽子や中性子の総称)とハイペロンと呼ばれるストレンジネスを含む重粒子から成る量子多体系としての原子核ハイパー核が研究対象となる階層です。

どちらも強い相互作用に支配される世界で、これらの二つの階層に関連した研究を行っています。さらには、核子などの重粒子が極限まで巨視的に集まって存在する中性子星の研究や、スケールの異なる階層の量子系(例えば原子物理)に共通に現れる普遍性についても、「強く相関する量子系」をキーワードに研究の範囲が広がっています。

当研究室では、次に挙げる具体的なテーマについて、教授・准教授が中心となるサブグループ毎に研究を行っています。

ハドロンと格子QCD:強い相互作用の基礎理論はハドロンの構成要素であるクォークとグルーオンを自由度として記述される量子色力学 (QCD)として知られていて、このQCDを非摂動的に計算する方法として考案されたものが、「格子QCD」と呼ばれる手法です。ハドロン物理学は、研究対象となるハドロンが「強い相互作用をする物質」ということで原子核物理学の一分野として位置づけられていますが、理論的手法は素粒子論の基礎となる場の量子論およびゲージ理論に基づいており、素粒子・原子核にまたがる横断的な研究領域です。

原子核の微視的理論:原子核は核子が核力という強い相互作用により自己束縛している状態で、陽子と中性子それぞれの個数やその励起エネルギーの与え方の違いによって、多様な性質が発現します。原子核やその反応に現れる運動には、核子の軌道運動による独立粒子的な面と、振動や回転、圧縮や膨張といった多数の核子の寄与による集団的な面があり、さらにはそれらが複合した状態や少数の核子で組を作るクラスター相関の発現などもあります。これらの多様な現象や核子からなる物質の性質の統一的理解を目指し、主に核子自由度に基づく微視的なアプローチを用いて研究を進めています。

少数多体系問題からみた原子核、クオーク多体系、原子分子:近年の物理の興味ある課題の中には、少数粒子系(3体以上)のシュレディンガー方程式を「精密に」解くことに帰着するものが多く存在します。「精密」に解くことによって、新しい物理を発見することが多々あります。そのため、この方程式を精密に解き、かつ、広く適用できる計算法を確立ことが重要となります。「無限小ガウス・ローブ基底関数」を用いたガウス展開法という独自の計算法を開発、この計算法を、原子核、ハドロン、原子分野に幅広く適用し、更なる新しい分野への研究展開が期待されます。

高密度天体への応用:無数の核子で構成された無限に大きい原子核は核物質と呼ばれ、その性質は中性子星の構造、超新星爆発のメカニズム、さらに重力波の源となる連星中性子星合体などの高密度天体現象を理解する重要な鍵となります。これらの天体現象から原子核物理の情報を精度良く引き出すため、核物質の性質を表す方程式(状態方程式と呼びます)を複雑な核力から理論的に導き出し、様々な高密度天体現象に適用する研究を進めています。

量子系における普遍性:多粒子系が示す相転移・臨界現象では、気液相転移と強磁性転移の例をはじめ、全く異なる系が統一的に理解できる普遍性(ユニバーサリティ)という重要な概念があります。少数粒子系においても、原子、原子核、固体電子系などが全く同じ量子少数系の現象(例えばエフィモフ状態と呼ばれる3粒子現象)を示すことがあり、このようなユニバーサリティに着目した研究を進めています。

図. 長さのスケールで見る階層性と強い相互作用の世界
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