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1 進学案内資料 進学案内資料 東京大学理学部物理学科 東京大学理学部物理学科

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8 2016 年 度 学 部 時 間 割

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12 2015 年 度 に 行 われた 講 義 の 概 要

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14 1 2 年 生 冬 学 期 1.1 電 磁 気 学 I: 早 野 龍 五 1. 特 殊 相 対 性 理 論 1.1 ニュートン 力 学 とガリレイの 相 対 性 1.2 ガリレイの 相 対 性 と 電 磁 気 1.3 光 速 1.4 ローレンツ 変 換 1.5 ローレンツ 変 換 のいくつかの 帰 結 1.6 ユークリッド 空 間 とミンコフスキー 空 間 元 速 度 1.8 エネルギー 運 動 量 ベクトル 元 加 速 度 と 4 元 力 1.10 ローレンツ 力 2. SI 単 位 系 2.1 SI 単 位 系 と 秒 の 定 義 の 変 遷 2.2 m の 定 義 の 変 遷 2.3 kg 原 器 の 問 題 点 2.4 kg 原 器 の 廃 止 に 向 けて 3. 静 電 場 3.1 自 然 界 の 4 つの 力 3.2 クーロンの 法 則 3.3 重 ね 合 わせの 原 理 3.4 保 存 力 3.5 電 場 電 気 力 線 3.6 Gauss の 法 則 3.7 静 電 エネルギー 3.8 Maxwell の 応 力 3.9 静 電 ポテンシャル 3.10 Laplace 方 程 式 と Earnshaw の 定 理 3.11 Poisson 方 程 式 4. 静 電 場 中 の 導 体 4.1 導 体 4.2 導 体 表 面 の 電 場 4.3 鏡 映 法 4.4 静 電 容 量 4.5 平 行 平 板 コンデンサー 4.6 静 電 エネルギー 4.7 電 流 電 流 密 度 4.8 電 荷 の 保 存 4.9 電 気 伝 導 度 4.10 ジュール 熱 4.11 キルヒホッフの 法 則 と 直 流 回 路 5. 静 磁 場 5.1 磁 気 単 極 子 は 存 在 しない 5.2 ローレンツ 力 5.3 直 線 電 流 が 作 る 磁 場 本 の 平 行 な 直 線 電 流 に 働 く 力 5.5 磁 場 の 発 散 と 回 転 5.6 アンペールの 法 則 5.7 ベクトルポテンシャル 5.8 ゲージ 5.9 ビオ サバールの 法 則 5.10 磁 気 エネルギー 6. 時 間 とともに 変 化 する 電 磁 場 6.1 磁 場 中 を 運 動 する 導 体 棒 6.2 誘 導 電 流 6.3 ファラデーの 法 則 6.4 インダクタンス 6.5 変 位 電 流 6.6 Maxwell 方 程 式 6.7 真 空 中 の Maxwell 方 程 式 の 解 6.8 ポインティングベクトル 6.9 電 磁 波 の 運 動 量 7. Maxwell 方 程 式 の 相 対 論 的 共 変 性 7.1 共 変 ベクトルと 反 変 ベクトル 7.2 ローレンツ 共 変 性 とは 7.3 電 磁 テンソル 7.4 電 磁 テンソルのローレンツ 変 換 7.5 Maxwell 方 程 式 の 相 対 論 的 共 変 性 7.6 電 磁 テンソルとローレンツ 力 8. 物 質 中 の 電 磁 場 8.1 誘 電 体 と 分 極 8.2 電 束 密 度 誘 電 率 分 極 率 8.3 物 質 中 の 静 電 場 の 法 則 8.4 電 場 と 電 束 密 度 の 境 界 条 件 8.5 磁 性 体 8.6 物 質 中 の 静 磁 場 の 法 則 8.7 物 質 中 の Maxwell 方 程 式 8.8 誘 電 体 中 の 電 磁 波 13

15 1.2 解 析 力 学 : 吉 田 直 紀 1 ニュートンの 法 則 からラグランジュ 形 式 へ 2 ラグランジュ 方 程 式 とその 応 用 3 最 小 作 用 の 原 理 4 対 称 性 と 保 存 則 5 ハミルトン 形 式 と 正 準 変 換 6 ハミルトン-ヤコビの 偏 微 分 方 程 式 1.3 量 子 力 学 I: 村 尾 美 緒 1 量 子 力 学 の 導 入 と 波 動 関 数 2 シュレディンガー 方 程 式 と 定 常 状 態 3 矩 形 ポテンシャルとトンネル 効 果 4 調 和 振 動 子 と 不 確 定 性 原 理 5 ヒルベルト 空 間 と 状 態 ベクトル 6 ハミルトニアン 動 力 学 と 量 子 測 定 1.4 物 理 実 験 学 : 福 山 寛, 山 本 智 自 然 科 学 の 最 先 端 は 日 々 進 化 し 融 合 し 続 けてい る その 発 展 の 礎 には 物 理 学 の 法 則 とそれを 利 用 し た 新 しい 実 験 技 術 や 装 置 の 開 発 がある 物 理 学 は 実 証 科 学 であり 新 しい 物 理 概 念 は 実 験 で 検 証 される 必 要 がある また 多 くの 物 理 法 則 が 実 験 から 見 出 さ れてきた ここでは 物 理 学 の 発 展 に 寄 与 した 歴 史 的 な 実 験 から 最 先 端 の 実 験 も 紹 介 しつつ 物 理 実 験 に 必 要 な 基 礎 知 識 ( 単 位 実 験 技 術 誤 差 論 レポー ト 作 成 法 など)を 講 義 する 1. 序 論 1.1 物 理 実 験 の 魅 力 ( 歴 史 的 実 験 から 最 先 端 実 験 まで) 2. 単 位 2.1 SI 基 本 単 位 の 定 義 2.2 各 種 の 常 用 単 位 系 とその 変 換 3. 基 礎 物 理 定 数 と 標 準 3.1 基 礎 物 理 定 数 (プランク 定 数 ボルツマン 定 数 など) 3.2 標 準 ( 時 間 質 量 電 流 電 圧 電 気 抵 抗 ) 4. 基 礎 的 な 実 験 技 術 4.1 実 験 ( 真 空 低 温 磁 場 ) 4.2 実 験 環 境 と 安 全 ( 実 験 室 実 験 フィールド 実 験 飛 翔 体 実 験 など) 4.3 測 定 法 ( 電 気 的 磁 気 的 熱 的 物 性 測 定 X 線 回 折 分 光 測 定 など) 4.4 試 料 作 成 ( 単 結 晶 薄 膜 ナノ 構 造 など) 5. 誤 差 論 5.1 実 験 誤 差 5.2 確 率 統 計 5.3 実 験 データの 解 析 6. 実 験 レポートや 論 文 の 作 成 法 と 研 究 倫 理 6.1 レポート 論 文 の 目 的 と 構 成 6.2 研 究 倫 理 1.5 物 理 数 学 I : 常 行 真 司 1. 複 素 関 数 の 性 質 複 素 平 面 複 素 関 数 リーマン 面 初 等 関 数 と 収 束 半 径 対 数 関 数 とべき 乗 関 数 無 限 乗 積 2. 複 素 関 数 の 微 分 と 正 則 性 コーシー リーマンの 関 係 式 調 和 関 数 3. 複 素 積 分 定 義 と 性 質 コーシーの 積 分 定 理 4. コーシーの 積 分 公 式 とその 応 用 コーシーの 積 分 公 式 テーラー 展 開 ローラン 展 開 特 異 点 と 留 数 解 析 接 続 δ 関 数 と 主 値 積 分 5. 等 角 写 像 6. ガンマ 関 数 ガンマ 関 数 スターリングの 公 式 漸 近 展 開 7. フーリエ 級 数 とフーリエ 変 換 の 基 礎 固 有 関 数 展 開 フーリエ 級 数 フーリエ 変 換 ラプラス 変 換 1.6 物 理 数 学 II : 桂 法 称 1. 偏 微 分 方 程 式 とフーリエ 解 析 14

16 1.1 計 量 線 形 空 間 と 直 交 関 数 系 1.2 フーリエ 級 数 とフーリエ 変 換 階 線 形 偏 微 分 方 程 式 1.4 フーリエ 級 数 変 換 の 応 用 2. 直 交 多 項 式 2.1 直 交 多 項 式 の 一 般 論 と 具 体 例 2.2 直 交 多 項 式 の 満 たす 漸 化 式 2.3 微 分 方 程 式 と 代 数 的 解 法 2.4 ルジャンドル 陪 関 数 と 球 面 調 和 関 数 2.4 球 面 調 和 関 数 と 角 運 動 量 3. 超 幾 何 関 数 3.1 確 定 特 異 点 型 微 分 方 程 式 3.2 ガウスの 超 幾 何 関 数 3.3 合 流 型 超 幾 何 関 数 3.4 ベッセル 関 数 2 3 年 生 夏 学 期 2.1 電 磁 気 学 II : 島 野 亮 1. 電 磁 場 の 基 本 法 則 1.1 真 空 中 の Maxwell 方 程 式 1.2 微 視 場 と 巨 視 場 1.3 分 極 と 磁 化 1.4 連 続 媒 体 中 の Maxwell 方 程 式 1.5 電 磁 場 とポテンシャル 2. 静 電 場 2.1 静 電 場 の 方 程 式 2.2 境 界 値 問 題 とグリーン 関 数 の 方 法 2.3 極 座 標 における 境 界 値 問 題 2.4 誘 電 体 3. 静 磁 場 と 定 常 電 流 3.1 静 磁 場 の 方 程 式 とアンペールの 法 則 3.2 境 界 値 問 題 3.3 磁 性 体 4. 電 磁 波 4.1 真 空 中 と 物 質 中 の 電 磁 波 4.2 電 磁 波 の 伝 搬 4.3 電 磁 波 の 性 質 4.4 電 磁 波 のエネルギーと 運 動 量 2.2 量 子 力 学 II : 立 川 裕 二 0. はじめに 1. 角 運 動 量 1.1 軌 道 角 運 動 量 1.2 角 運 動 量 演 算 子 の 固 有 状 態 1.3 角 運 動 量 の 固 有 状 態 を 座 標 表 示 すると 球 面 調 和 関 数 1.4 角 運 動 量 の 合 成 と Clebsch-Gordan 係 数 1.5 スピン 1.6 s=1/2 のとき:パウリ 行 列 2. 球 対 称 ポテンシャル 内 での 粒 子 2.1 この 章 でやること 2.2 球 対 称 ポテンシャルのとき ハミルトニアンと 角 運 動 量 は 可 換 2.3 動 径 方 向 2.4 水 素 原 子 3. スピンと 磁 気 モーメント 3.1 一 様 磁 場 中 のループ 電 流 3.2 角 運 動 量 と 磁 気 モーメント 3.3 LS 結 合 3.4 これまでの 話 を 全 部 合 わせると 3.5 一 様 磁 場 中 のスピン 4. 様 々な 近 似 法 4.1 摂 動 論 ( 定 常 状 態 ) 4.2 摂 動 論 ( 時 間 発 展 ) 4.3 準 古 典 近 似 (WKB 近 似 ) 5. 対 称 性 と 保 存 則 5.1 運 動 量 p は 並 進 角 運 動 量 L は 回 転 の 生 成 子 5.2 ユニタリー 演 算 子 とエルミート 演 算 子 5.3 対 称 性 と 保 存 則 5.4 保 存 量 5.5 対 称 性 6. オマケ 15

17 2.3 現 代 実 験 物 理 学 I : ( 前 半 ) 松 田 巌,( 後 半 ) 樋 口 秀 男 1. 物 性 実 験 1.1 真 空 技 術 1.2 表 面 物 理 学 1.3 電 子 を 用 いた 実 験 1.4 X 線 を 用 いた 実 験 2. 一 般 物 理 学 2.1 レーザー 物 理 学 2.2 非 平 衡 系 物 理 学 生 物 物 理 学 2.4 流 体 力 学 : 江 尻 晶 これまで 学 習 した 古 典 力 学, ベクトル 解 析, 複 素 関 数, 偏 微 分 方 程 式 を 踏 まえつつ, 流 体 の 基 礎 的 な 扱 い 方 を 講 義 する また, 電 磁 気 学 との 関 連 性, さまざま な 応 用 についても 触 れる 1. 様 々な 流 体 2. 流 体 の 基 礎 方 程 式 2.1 流 体 を 特 徴 づける 量 2.2 連 続 の 式 2.3 力 と 運 動 方 程 式 2.4 粒 子 の 方 程 式 から 流 体 の 方 程 式 へ 2.5 渦 度 と 渦 度 方 程 式 3. 関 数 による 流 れの 表 現 3.1 ポテンシャル 流 3.2 複 素 速 度 ポテンシャル 式 3.2 揚 力 3. 粘 性 流 3.1 レイノルズ 数 3.2 ストークス 近 似 3.3 一 様 等 方 乱 流 とコルモゴロフ 則 3.4 フラクタルによる 乱 流 の 表 現 4. 水 波 4.1 長 い 波 4.2 表 面 波 4.3 表 面 張 力 波 5. 不 安 定 性 波 5.1 安 定 不 安 定 5.2 ケルビン ヘルムホルツ 不 安 定 性 5.3 レイリー テイラー 不 安 定 性 2.5 統 計 力 学 I : 佐 野 雅 己 1. 熱 力 学 再 考 1.1 熱 力 学 第 二 法 則 1.2 熱 力 学 関 数 と 変 分 原 理 2. 統 計 力 学 の 基 礎 と 適 用 2.1 統 計 力 学 の 原 理 2.2 ミクロカノニカル 分 布 2.3 カノニカル 分 布 2.4 グランドカノニカル 分 布 2.5 理 想 気 体 ( 単 原 子 分 子 2 原 子 分 子 ) 2.6 物 性 への 適 用 ( 磁 性 固 体 の 比 熱 高 分 子 鎖 と ゴム 弾 性 生 物 物 理 ) 3. 量 子 統 計 力 学 3.1 量 子 統 計 の 考 え 方 3.2 理 想 フェルミ 気 体 3.3 理 想 ボース 気 体 3.4 縮 退 したフェルミ 気 体 3.5 量 子 統 計 の 適 用 ( 固 体 の 比 熱 黒 体 輻 射 ) 3.6 ボース アインシュタイン 凝 縮 2.6 計 算 機 実 験 : 藤 堂 眞 治 1. UNIX の 基 礎 C 言 語 LaTeX バージョン 管 理 システム 2. 数 値 誤 差 数 値 積 分 ニュートン 法 3. 常 微 分 方 程 式 4. 連 立 一 次 方 程 式 5. 特 異 値 分 解 画 像 圧 縮 回 帰 分 析 6. 最 適 化 問 題 7. 乱 数 モンテカルロ 積 分 マルコフ 連 鎖 モンテカ 16

18 ルロ 8. スパコンと 計 算 物 理 3 3 年 生 冬 学 期 3.1 物 理 数 学 III: 上 田 正 仁 1. 群 論 の 基 礎 2. 表 現 論 3. リー 群 の 基 礎 4. リー 群 と 多 様 体 5. ルートとウエイト 6. 微 分 形 式 7. ベクトル 解 析 の 諸 公 式 の 導 出 8. 多 様 体 上 の 積 分 9. 閉 形 式 と 完 全 微 分 10. 微 分 形 式 の 応 用 3.2 量 子 力 学 III : 福 嶋 健 二 1. 多 粒 子 系 の 量 子 論 1.1 同 種 2 粒 子 系 1.2 同 種 多 粒 子 系 1.3 第 二 量 子 化 1.4 Hartree-Fock 近 似 1.5 電 磁 場 との 相 互 作 用 2. 散 乱 問 題 2.1 波 束 とポテンシャル 散 乱 2.2 中 心 力 ポテンシャルと 部 分 波 展 開 2.3 Lippmann-Schwinger 方 程 式 と Born 近 似 2.4 Eikonal 近 似 2.5 光 子 の 吸 収 放 出 3. 場 の 量 子 論 入 門 3.1 Wigner 関 数 の 性 質 3.2 Schwinger-Keldysh 形 式 3.3 固 体 物 理 学 I: 岡 本 徹 1. 原 子 構 造 1.1 水 素 原 子 1.2 多 原 子 分 子 1.3 イオン 化 エネルギー 2. 結 晶 の 結 合 力 2.1 イオン 結 合 2.2 共 有 結 合 2.3 金 属 結 合 2.4 ファンデルワールス 結 合 3. 結 晶 構 造 3.1 空 間 格 子 と 単 位 胞 3.2 空 間 格 子 の 分 類 3.3 代 表 的 な 結 晶 構 造 4. 逆 格 子 4.1 逆 格 子 の 求 め 方 4.2 X 線 回 折 4.3 ブリルアン 域 5. 結 晶 中 の 電 子 5.1 ブロッホ 状 態 5.2 ポテンシャルが 小 さい 場 合 5.3 エネルギーバンド 5.4 束 縛 が 強 い 場 合 6. 電 子 の 運 動 6.1 電 子 の 速 度 6.2 運 動 方 程 式 6.3 有 効 質 量 6.4 磁 場 中 の 運 動 7. 金 属 中 の 伝 導 電 子 7.1 比 熱 7.2 電 気 伝 導 と 散 乱 機 構 7.3 ボルツマン 方 程 式 と 輸 送 係 数 8. 半 導 体 17

19 8.1 電 子 と 正 孔 8.2 不 純 物 ドーピング 8.3 pn 接 合 8.4 量 子 ホール 効 果 8.5 メゾスコピック 系 3.4 現 代 実 験 物 理 学 II : 駒 宮 幸 男, 安 東 正 樹 素 粒 子 原 子 核 宇 宙 物 理 学 実 験 の 測 定 法 の 基 礎 を 学 ぶ. 1. 宇 宙 と 素 粒 子 2. 粒 子 と 物 質 の 相 互 作 用 3. 断 面 積 と 崩 壊 率 4. 粒 子 検 出 器 5. 加 速 器 6. 今 後 の 展 開 7. 物 理 実 験 における 統 計 的 データ 解 析 7.1 物 理 実 験 と 統 計 学 7.2 基 本 的 な 統 計 量 確 率 分 布 7.3 統 計 モデルの 応 用 7.4 パラメータ 推 定 7.5 仮 説 検 定 7.6 モンテカルロ 法 とベイズ 統 計 3.5 電 磁 気 学 III : 櫻 井 博 儀 1. 電 磁 波 の 基 礎 1.1 自 由 電 磁 場 とその 性 質 2. 電 磁 波 の 放 射 2.1 遅 延 ポテンシャルと 先 進 ポテンシャル 2.2 遅 延 ポテンシャルの 多 重 極 展 開 3. 荷 電 粒 子 の 出 す 電 磁 波 3.1 リエナール-ヴィーヒェルトのポテンシャル 3.2 運 動 する 荷 電 粒 子 の 作 る 電 磁 波 3.3 制 動 放 射 3.4 点 電 荷 による 電 磁 波 の 散 乱 3.5 チェレンコフ 放 射 4. 電 磁 波 の 伝 播 4.1 導 波 管 4.2 空 洞 共 振 器 4.3 電 磁 波 の 回 折 5. 電 磁 場 の 角 運 動 量 3.6 生 物 物 理 学 : 樋 口 秀 男, 能 瀬 聡 直 生 物 物 理 学 は 物 理 学 的 な 観 点 や 手 法 を 用 い 生 命 現 象 の 基 本 原 理 を 究 明 することを 目 指 す 研 究 領 域 で あり,その 対 象 は, 蛋 白 質 や 核 酸 などの 分 子 レベル から 脳 神 経 系 の 機 能 などの 高 次 の 生 命 現 象 まで 多 岐 にわたっている 本 講 義 では その 基 礎 的 な 概 念 手 法 を 解 説 するとともに 最 近 のトピックスについ ても 紹 介 する 以 下 のような 内 容 を 予 定 している 1. 生 物 物 理 学 とは 2. 遺 伝 情 報 の 流 れ 3. 蛋 白 質 の 構 造 と 機 能 4. 細 胞 内 タンパク 質 のダイナミックス 5. 遺 伝 子 操 作 技 術 6. ゲノム 科 学 とバイオインフォマティックス 7. バイオイメージング 生 体 分 子 計 測 8. 脳 神 経 系 の 生 物 物 理 3.7 統 計 力 学 II: 小 形 正 男 1. 相 転 移 現 象 1.0 イントロダクション 1.1 気 体 - 液 体 相 転 移 1.2 相 転 移 : 対 称 性 の 自 発 的 破 れ 1.3 スピン 系 の 統 計 力 学 1.4 平 均 場 近 似 18

20 1.5 イジングモデル 1.6 ランダウの2 次 相 転 移 理 論 1.7 スケーリング 理 論 1.8 くりこみ 群 の 基 礎 2. 非 平 衡 統 計 力 学 2.1 応 答 関 数 とゆらぎ 2.2 線 形 応 答 理 論 2.3 種 々の 輸 送 係 数 2.4 ブラウン 運 動 とアインシュタインの 関 係 式 2.5 ランダム ウォーク 2.6 拡 散 方 程 式 2.7 境 界 のある 場 合 の 拡 散 方 程 式 2.8 ランジュバン 方 程 式 4 4 年 生 夏 学 期 4.1 場 の 量 子 論 I: 松 尾 泰 1. 相 対 論 的 量 子 力 学 1.1 Lorentz 変 換 とその 表 現 1.2 Klein-Gordon 方 程 式 1.3 Dirac 方 程 式 1.4 対 称 性 と 保 存 量 :Noether の 定 理 1.5 第 二 量 子 化 とその 必 然 性 2. 場 の 量 子 化 2.1 場 の 正 準 量 子 化 2.2 Klein-Gordon, Dirac 場 の 量 子 化 2.3 電 磁 場 の 量 子 化 2.4 S 行 列 2.5 相 互 作 用 描 像 2.6 Feynman 則 4.2 サブアトミック 物 理 学 : Kathrin Wimmer 1. Global properties of the nucleus: mass and binding energy 2. Radioactive decay 3. Particle accelerators 4. Particle and gamma-ray detectors 5. Scattering 6. Nuclear structure models 7. Nuclear astrophysics 8. Quarks and gluons, strong interaction 9. The standard model of particle physics 10. Neutrinos 4.3 一 般 相 対 論 : 須 藤 靖 1. 重 力 の 世 界 1.1 ニュートン 重 力 の 普 遍 性 1.2 物 理 学 の 方 法 論 1.3 講 義 の 構 成 2. 4 次 元 時 空 とシュワルツシルド 計 量 2.1 線 素 と 計 量 2.2 シュワルツシルド 時 空 の 性 質 2.3 GPS とシュワルツシルド 時 空 3. 一 般 相 対 性 原 理 とその 数 学 的 表 現 3.1 特 殊 相 対 論 の 限 界 : 慣 性 系 とは? 重 力 は 力 か? 3.2 一 般 相 対 論 の 概 念 構 成 3.3 物 理 量 の 表 現 : ベクトル 3.4 ベクトルの 基 底 と 成 分 3.5 基 底 変 換 と 座 標 変 換 3.6 ベクトルの 微 分 3.7 接 続 係 数 の 変 換 則 3.8 物 理 量 の 表 現 : 双 対 ベクトル 3.9 物 理 量 の 表 現 : テンソル 3.10 まとめ: 物 理 量 とテンソル 4. 測 地 線 の 方 程 式 4.1 重 力 場 のもとでの 粒 子 の 運 動 方 程 式 19

21 4.2 ニュートン 理 論 との 対 応 5. 重 力 場 の 方 程 式 5.1 マッハの 原 理 と 重 力 場 の 方 程 式 5.2 エネルギー 運 動 量 テンソル 5.3 アインシュタイン 方 程 式 への 道 5.4 ニュートン 理 論 との 対 応 5.5 宇 宙 定 数 5.6 変 分 原 理 による 定 式 化 5.7 重 力 場 : アインシュタイン-ヒルベルト 作 用 5.8 物 質 場 : エネルギー 運 動 量 テンソル 6. シュワルツシルド 時 空 とブラックホール 6.1 球 対 称 重 力 場 の 計 量 6.2 シュワルツシルド 解 導 出 の 概 略 6.3 シュワルツシルド 解 6.4 シュワルツシルド 計 量 6.5 ブラックホールは 観 測 できるか? エディントン 光 度 6.6 天 文 学 的 ブラックホール 6.7 一 般 相 対 論 の 検 証 7. 相 対 論 的 宇 宙 モデル 7.1 宇 宙 原 理 と 宇 宙 の 一 様 等 方 性 7.2 ロバートソン ウォーカー 計 量 7.3 アインシュタイン 方 程 式 からフリードマン 方 程 式 へ 7.4 宇 宙 の 状 態 方 程 式 7.5 アインシュタイン ドジッター 宇 宙 モデル 7.6 フリードマン 宇 宙 モデル 7.7 宇 宙 論 パラメータ 7.8 宇 宙 の 膨 張 則 と 宇 宙 の 未 来 7.9 宇 宙 定 数 とダークエネルギー 7.10 インフレーションシナリオ 4.4 宇 宙 物 理 学 : 中 澤 知 洋 学 部 で 学 ぶ 力 学 電 磁 気 学 相 対 論 などを 用 いて 宇 宙 そのものや 天 体 の 特 性 を 物 理 の 言 葉 で 理 解 する ことを 目 的 とする 恒 星 や 銀 河 中 性 子 星 やブラッ クホール ビッグバン 宇 宙 とその 中 での 物 質 進 化 を 観 測 の 最 前 線 を 交 えつつ 議 論 する 1. 重 力 と 天 体 1.1 重 力 とケプラー 回 転 1.2 自 己 重 力 系 の 基 礎 2. 電 磁 放 射 の 基 礎 2.1 黒 体 放 射 2.2 光 子 ガスの 熱 力 学 3. 星 の 物 理 学 3.1 星 の 熱 力 学 3.2 主 系 列 星 のパラメータスケーリング 3.3 星 の 内 部 の 核 反 応 4. 星 の 進 化 と 終 末 4.1 星 の 進 化 4.2 電 子 縮 退 した 星 : 白 色 わい 星 4.3 隠 し 縮 退 した 星 : 中 性 子 星 5. ビッグバン 宇 宙 論 5.1 膨 張 宇 宙 の 記 述 と 宇 宙 論 パラメータ 5.2 物 質 の 起 源 と 宇 宙 の 熱 史 5.3 ビッグバンにおける 元 素 合 成 5.4 宇 宙 の 晴 れ 上 がり 4.5 プラズマ 物 理 学 : 高 瀬 雄 一 0. プラズマとは? 1. 単 一 荷 電 粒 子 の 運 動 1.1 一 様 電 磁 場 中 の 粒 子 ドリフト 1.2 非 一 様 磁 場 中 の 粒 子 ドリフト 1.3 時 間 変 化 する 電 磁 場 中 の 粒 子 ドリフト 1.4 マッピング 2. 流 体 としてのプラズマ 2.1 プラズマの 流 体 方 程 式 2.2 流 体 方 程 式 と 粒 子 ドリフトの 関 係 2.3 一 流 体 電 磁 流 体 力 学 2.4 電 磁 流 体 力 学 的 平 衡 3. プラズマ 中 の 衝 突 過 程 3.1 完 全 電 離 と 非 完 全 電 離 プラズマ 3.2 完 全 電 離 プラズマ 中 の 衝 突 3.3 プラズマの 拡 散 20

22 4. 流 体 プラズマ 中 の 波 動 4.1 非 等 方 分 散 媒 体 中 の 小 振 幅 波 動 4.2 磁 場 のないプラズマ 中 の 波 動 4.3 磁 場 のあるプラズマ 中 の 波 動 5. 流 体 プラズマの 不 安 定 性 6. プラズマの 運 動 論 6.1 ヴラソフ 方 程 式 6.2 プラズマ 波 動 の 運 動 論 的 効 果 6.3 速 度 空 間 不 安 定 性 と 非 線 形 理 論 4.6 固 体 物 理 学 II : 高 木 英 典 1. 金 属 と 半 導 体 ( 復 習 ) 1.1 バンド 構 造 1.2 金 属 のフェルミ 面 2. 格 子 振 動 2.1 フォノン 2.3 デバイ 模 型 2.3 比 熱 と 熱 伝 導 3. 電 子 相 関 と 磁 性 3.1 電 子 相 関 3.2 反 磁 性 と 常 磁 性 3.3 磁 気 秩 序 3.4 磁 気 デバイス 4. 超 伝 導 4.1 超 伝 導 現 象 概 観 4.2 電 子 格 子 相 互 作 用 とクーパー 対 4.3 BCS 理 論 4.4 量 子 磁 束 3. 低 次 元 電 子 系 の 量 子 現 象 5.1 量 子 ホール 効 果 5.3 電 荷 密 度 波 4.7 量 子 光 学 : 酒 井 広 文 1. 原 子 と 放 射 の 相 互 作 用 1.1 時 間 に 依 存 する Schrödinger 方 程 式 1.2 相 互 作 用 ハミルトニアン 1.3 遷 移 速 度 1.4 B 係 数 の 表 式 1.5 光 学 Bloch 方 程 式 1.6 Rabi 振 動 1.7 放 射 広 がり 1.8 飽 和 広 がり 1.9 放 射 減 衰 を 伴 う Rabi 振 動 1.10 衝 突 広 がり 1.11 Doppler 広 がり 1.12 合 成 吸 収 線 の 形 状 2. 電 磁 場 の 量 子 化 2.1 古 典 電 磁 場 のポテンシャル 論 2.2 Coulomb ゲージ 2.3 自 由 古 典 場 2.4 量 子 力 学 的 調 和 振 動 子 2.5 場 の 量 子 化 2.6 場 の 交 換 の 性 質 2.7 零 点 エネルギー 2.8 モード 位 相 演 算 子 2.9 単 一 モード 個 数 状 態 の 物 理 的 性 質 2.10 コヒーレント 光 子 状 態 2.11 単 一 モードコヒーレント 状 態 の 物 理 的 性 質 3. 量 子 化 した 場 と 原 子 との 相 互 作 用 3.1 原 子 の 多 極 モーメント 3.2 多 極 相 互 作 用 ハミルトニアン 3.3 電 気 双 極 子 近 似 3.4 原 子 ハミルトニアンの 第 2 量 子 化 3.5 光 子 の 吸 収 速 度 と 放 出 速 度 4. レーザーの 基 礎 4.1 光 共 振 器 のモード 4.2 光 共 振 器 の 安 定 性 4.3 発 振 条 件 4.4 波 動 方 程 式 に 基 づくレーザー 理 論 4.5 定 常 状 態 におけるレーザー 発 振 4.6 各 種 のレーザー 21

23 準 位 レーザーと 4 準 位 レーザー 固 体 レーザー 気 体 レーザー 色 素 レーザー 半 導 体 レーザー 4.8 生 物 物 理 学 特 論 : 樋 口 秀 男, 酒 井 邦 嘉, 陶 山 明 1. 蛋 白 質 の 生 物 物 理 学 1.1 生 体 内 のタンパク 質 機 能 とは 1.2 蛋 白 質 や 生 体 膜 とはどのようなものか そこで 働 いている 原 理 は 何 か 1.3 蛋 白 質 はイオンをどのように 見 分 け 使 い 分 け るか 1.4 蛋 白 質 はどのようにして 反 応 を 触 媒 するか - 酵 素 反 応 の 構 造 生 物 学 1.5 蛋 白 質 はエネルギーをどのように 変 換 し 利 用 するか 1.6 蛋 白 質 はどのようにして 立 体 構 造 を 形 成 する のか 1.7 蛋 白 質 の 構 造 と 機 能 を 予 測 する 1.8 蛋 白 質 のダイナミクスと 機 能 発 現 1.9 蛋 白 質 と 病 気 の 関 わり 1.10 蛋 白 質 の 進 化 とデザイン 1.11 蛋 白 質 1 分 子 の 機 能 をいかに 測 定 し 理 解 す るか 1.12 細 胞 内 蛋 白 質 機 能 をイメージングしてわかる こと 1.13 個 体 内 蛋 白 質 の 役 割 の 多 様 性 4.9 統 計 力 学 特 論 : 宮 下 精 二 1. 相 転 移 と 臨 界 現 象 2. 平 均 場 理 論 3. くりこみ 群 とスケーリング 4. 厳 密 解 5. いろいろなタイプの 相 転 移 6. 非 平 衡 現 象 5 4 年 生 冬 学 期 5.1 化 学 物 理 学 : 藤 森 淳 1. 原 子 の 電 子 状 態 1.1 一 電 子 状 態 1.2 多 電 子 原 子 1.3 周 期 律 2. 分 子 の 電 子 状 態 2.1 水 素 分 子 二 原 子 分 子 2.2 ベンゼン 等 の 分 子 2.3 金 属 錯 体 5.2 素 粒 子 物 理 学 : 横 山 将 志 1. 標 準 模 型 以 前 の 素 粒 子 物 理 2. ゲージ 理 論 と 対 称 性 の 自 発 的 破 れ 3. ワインバーグ-サラムモデル 4. GWS モデルの 実 験 的 検 証 5. クォークとその 混 合 6. 強 い 相 互 作 用 と QCD 7. 標 準 模 型 を 超 えて 22

24 5.3 場 の 量 子 論 II : 諸 井 健 夫 本 講 義 では 場 の 量 子 論 I で 学 ぶ 相 対 論 的 場 の 理 論 の 基 礎 的 知 識 を 前 提 として 以 下 の 事 項 につい て 解 説 する 1. 経 路 積 分 による 場 の 量 子 化 2. ゲージ 場 の 量 子 化 3. 輻 射 補 正 5.4 原 子 核 物 理 学 : 大 塚 孝 治 1. 原 子 核 のスケールと 単 位 2. 原 子 核 の 大 きさと 密 度 3. 原 子 核 の 質 量 と 結 合 エネルギー 4. フェルミガス 模 型 5. 平 均 ポテンシャル 6. 調 和 振 動 子 ポテンシャル 7. 殻 構 造 8. シェルモデル アイソスピンと 核 力 9. 原 子 核 の 形 10. 原 子 核 の 崩 壊 と 放 射 線 11. エキゾチックな 原 子 核 5.5 固 体 物 理 学 III : 青 木 秀 夫 1. 序 2. 超 伝 導 の 基 礎 2.1 超 伝 導 とは 何 か 2.2 超 伝 導 の 基 本 的 性 質 2.3 従 来 型 超 伝 導 背 景 と 現 象 論 2.4 従 来 型 超 伝 導 BCS 理 論 3. 高 温 超 伝 導 3.1 電 子 相 関 3.2 超 伝 導 の 電 子 機 構 4. 他 の 物 質 における 超 伝 導 5. 整 数 量 子 ホール 効 果 6. 分 数 量 子 ホール 効 果 7. 展 望 5.6 物 性 物 理 学 特 論 : 長 谷 川 修 司 小 森 文 夫 1. 概 論 : 表 面 科 学 とは 歴 史 表 面 科 学 とナノテ クノロジー 2. 表 面 構 造 : 表 面 超 構 造 と 相 転 移 回 折 法 顕 微 鏡 法 動 的 過 程 3. 表 面 電 子 状 態 : 表 面 状 態 トポロジカル 表 面 状 態 バンド 分 散 原 子 結 合 状 態 測 定 手 法 (( 逆 ) 光 電 子 分 光 法 トンネル 分 光 法 電 子 エネル ギー 損 失 分 光 ) 電 子 ダイナミクス 4. 走 査 プローブ 顕 微 鏡 : 原 理, 表 面 構 造 観 察 局 所 電 子 状 態 表 面 バンドの 観 測, 表 面 電 子 定 在 波 原 子 マニピュレーション 5. 表 面 電 子 輸 送 : 表 面 空 間 電 荷 層 の2 次 元 電 子 系 表 面 電 子 バンドの2 1 次 元 電 子 系 表 面 スピ ン 輸 送 表 面 単 原 子 層 超 伝 導 6. 表 面 超 薄 膜 磁 性 : 磁 気 モーメントと 相 転 移 強 磁 性 超 薄 膜 表 面 ナノ 強 磁 性 体 スピンダイナ ミクス 5.7 電 子 回 路 論 : 勝 本 信 吾 1. 電 子 回 路 序 論 1.2 電 子 回 路 とは 1.1 電 子 回 路 論 という 講 義 端 子 素 子 23

25 1.4 回 路 図 1.5 抵 抗 器 1.6 キャパシタ 1.7 インダクタ 2. 線 形 回 路 序 論 2.1 線 形 システムと 電 子 回 路 2.2 各 種 電 源 2.3 回 路 網 2.4 共 鳴 現 象 と 共 鳴 回 路 2.5 エネルギー 散 逸 と 電 力 2.6 クラマース-クローニッヒの 関 係 端 子 (2 端 子 対 ) 回 路 2.8 端 子 対 回 路 の 諸 定 理 2.9 インピダンスの 整 合 3. 増 幅 回 路 3.1 増 幅 度 ( 利 得 ) 3.2 周 波 数 特 性 とボード 線 図 3.3 OP アンプ 3.4 トランジスタ 3.5 電 場 効 果 トランジスタ 4. 過 渡 応 答 と 分 布 定 数 回 路 4.1 過 渡 応 答 4.2 分 布 定 数 回 路 4.3 伝 送 路 の 伝 播 現 象 4.4 S 行 列 (S パラメタ) 4.5 シュレディンガー 方 程 式 と LC 伝 送 路 4.6 非 線 形 LC 伝 送 路 と 戸 田 格 子 5. 信 号, 雑 音, 波 形 解 析 5.1 ゆらぎ 5.2 増 幅 器 の 雑 音 5.3 EMI(EMC) 5.4 変 調 とアナログ 信 号 伝 送 5.5 離 散 化 信 号 6. ディジタル 信 号 とディジタル 回 路 6.1 ディジタル 信 号 序 論 6.2 論 理 ゲート 6.3 論 理 ゲートの 実 装 6.4 論 理 演 算 の 回 路 化 と 簡 単 化 6.5 A-D/D-A コンバータ 6.6 ディジタルフィルター 6.7 ハードウェア 記 述 言 語 :HDL 5.8 現 代 物 理 学 入 門 : 吉 岡 孝 高, 北 川 健 太 郎 1. レーザー 物 理 ( 担 当 : 吉 岡 ) 1.1 最 近 のレーザー 科 学 の 展 開 レーザーの 原 理 と 特 徴 1.2 超 短 パルスレーザー 1.3 光 と 物 質 の 相 互 作 用 2 次 の 非 線 形 光 学 効 果 と 波 長 変 換 次 の 非 線 形 光 学 効 果 1.5 多 光 子 過 程 と 高 次 高 調 波 発 生 1.6 フェムト 秒 光 周 波 数 コム 1.7 アト 秒 分 光 2. 強 相 関 電 子 系 物 性 測 定 ( 担 当 : 北 川 ) 2.1 近 年 の 固 体 物 性 研 究 の 話 題 2.2 物 性 測 定 基 礎 と 極 限 環 境 下 物 性 測 定 2.3 マクロ 物 性 測 定 2.4 核 磁 気 共 鳴 法 の 測 定 原 理 2.5 核 の 電 気 四 重 極 相 互 作 用 2.6 超 微 細 相 互 作 用 ナイトシフトと 緩 和 2.7 磁 性 体 における 核 磁 気 共 鳴 測 定 5.9 普 遍 性 生 物 学 : 金 子 邦 彦 1. 生 命 システムのマクロ 状 態 理 論 の 可 能 性 1.1 基 本 的 性 質 : 多 様 性 活 動 性 ロバストネス 24

26 可 塑 性 1.2 階 層 整 合 性 : 定 常 成 長 系 の 普 遍 法 則 2. 化 学 反 応 から 複 製 細 胞 へ: 生 命 における 非 平 衡 性 少 数 性 制 御 区 画 化 成 長 のマクロ 法 則 と 相 ( 付 録 : 人 工 複 製 系 構 築 実 験 について) 3. 細 胞 の 適 応 : 揺 らぐ 成 長 系 の 帰 結 ノイズによる 環 境 依 存 アトラクター 選 択 4. 細 胞 ホメオスタシスと 適 応 : 触 媒 量 制 御 多 自 由 度 適 応 系 5. 細 胞 の 記 憶 : 動 的 記 憶 とガラス 6. 細 胞 分 化 と 発 生 過 程 の 不 可 逆 性 :マクロ 現 象 論 分 化 多 能 性 の 表 現 相 互 作 用 による 内 部 状 態 の 分 岐 分 化 能 の 喪 失 とリプログラミング 7. 表 現 型 の 進 化 (I): 進 化 揺 動 応 答 関 係 ノイズ による 分 散 と 遺 伝 分 散 の 関 係 安 定 性 の 進 化 8. 表 現 型 の 進 化 (II): 適 応 進 化 におけるルシャト リエ 原 理 9. 発 生 進 化 対 応 : 10. 多 様 性 の 進 化 ; 表 現 型 変 化 の 遺 伝 的 固 定, 共 生 種 分 化 多 様 性 の 進 化 11. まとめと 展 望 : 生 物 普 遍 性 の 現 象 論 へ 25

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28 各 研 究 室 の 研 究 活 動 内 容

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30 相 原 横 山 研 究 室 相 原 博 昭 教 授 横 山 将 志 准 教 授 小 貫 良 行 助 教 当 研 究 室 の 専 門 は, 素 粒 子 物 理 学 を 実 験 的 に 研 究 する 高 エネルギー 物 理 学 である. 高 エネルギー 加 速 器 研 究 機 構 (KEK) のスーパー B ファクトリーを 使 った 実 験,および, 大 強 度 陽 子 加 速 器 (J-PARC) とスーパーカミオカンデを 使 ったニュ-トリノ 振 動 実 験 を 推 進 している.さらに,すばる 望 遠 鏡 を 使 ったダークエネルギーの 研 究 や, 次 世 代 の 大 型 水 チェレンコフ 検 出 器 であるハイパーカミオカン デ 計 画 を 推 進 している.これら 世 界 最 先 端 の 実 験 設 備 を 使 って, 自 分 たちの 手 で 素 粒 子 や 宇 宙 の 謎 を 実 験 的 に 解 き 明 かすことを 目 指 している. 験 に 向 けて, 現 在 加 速 器 と 測 定 装 置 の 大 幅 な 改 良 作 業 を 行 っている( 図 1,2). また,B ファクトリーは τ レプトンを 大 量 に 生 産 する τ ファクトリーでもある. 荷 電 レプトンの 稀 崩 壊 は, 新 物 理 を 探 索 するための 有 力 な 手 段 の 一 つであると 考 えられている. 当 研 究 室 では,τ レ プトンの 研 究 によっても 新 物 理 を 探 求 している. 1 スーパー B ファクトリーでの 物 理 素 粒 子 物 理 学 は, 物 質 の 究 極 の 構 成 要 素 である 素 粒 子 の 探 究 とその 反 応 メカニズムの 解 明 を 目 指 し ている. 当 研 究 室 は, 素 粒 子 反 応 が 持 つ 対 称 性 に 着 目 して, 究 極 の 物 理 法 則 の 姿 を 明 らかにしよう としている.すべての 粒 子 には, 電 荷 が 逆 の 反 粒 子 が 存 在 する.たとえば, 電 子 には 陽 電 子, 陽 子 に は 反 陽 子 が 存 在 する.これら 粒 子 と 反 粒 子 は, 電 荷 が 逆 であること 以 外, 量 子 力 学 的 に 全 く 同 じ 性 質 を 持 っている.これを CP 対 称 性 と 呼 ぶが, 素 粒 子 に 働 く 弱 い 力 と 呼 ばれる 力 では,その 対 称 性 がわずかに 破 れていることが 知 られている. 当 研 究 室 は,CP 対 称 性 の 破 れの 起 源 を 説 明 する 理 論 として 提 唱 された 小 林 益 川 理 論 を, 最 先 端 加 速 器 B ファクトリーを 使 って 検 証 した. 小 林 益 川 理 論 は 2008 年 ノーベル 物 理 学 賞 に 輝 いたが, 当 研 究 室 では,さらにその 先 を 見 据 え, 次 世 代 加 速 器 スーパー B ファクトリーを 使 って, 超 対 称 性 理 論 など 現 在 の 素 粒 子 理 論 の 先 にある,より 根 源 的 な 素 粒 子 物 理 の 解 明 を 目 指 した 実 験 を 遂 行 しようと している.Belle II(ベルツー)と 呼 ばれるこの 実 図 1. Belle II(ベルツー) 測 定 装 置 の 完 成 予 想 図. 図 2. 当 研 究 室 で 製 作 する,Belle II 測 定 装 置 心 臓 部 の 半 導 体 粒 子 検 出 器 の 完 成 予 想 図. 2 ニュートリノビームを 使 った 物 理 J-PARC 加 速 器 では, 電 荷 を 持 たない,クォーク とは 別 種 の 素 粒 子 である ニュートリノ の 実 験 を 行 っている.ニュートリノは, 既 知 の 素 粒 子 の うちでその 性 質 が 最 も 調 べられていないものの 一 つであり, 現 在 の 素 粒 子 理 論 を 越 えた 物 理 の 手 が かりを 秘 めていると 考 えられている.J-PARC で 作 ったニュートリノのビームを, 約 300km 離 れた 岐 阜 県 の 神 岡 にあるニュートリノ 検 出 器 (スーパー カミオカンデ)に 打 ち 込 み,ニュートリノが 飛 ん で 行 く 間 に 別 の 種 類 のニュートリノに 変 わる 様 子 (ニュートリノ 振 動 )を 観 測 する. T2K 実 験 と 呼 ば れるこの 実 験 で, 我 々はこれまで 確 認 されていな かった 種 類 のニュートリノ 振 動 を 発 見 した( 図 3). また,クォークと 同 じようにニュートリノでも CP 対 称 性 が 破 れていることが 予 想 されている.も しこの 予 想 が 正 しければ,ニュートリノは,ビッグ バンから 始 まった 宇 宙 における 物 質 創 成 の 歴 史,す なわち, 宇 宙 の 進 化 において 重 要 な 役 割 を 果 たした 可 能 性 がある.ニュートリノ 振 動 実 験 は,ニュート リノと 宇 宙 進 化 の 関 わりを 解 明 するための 実 験 で もある. 今 後,T2K 実 験 では 反 ニュートリノビー ムでの 測 定 を 行 うことで,ニュートリノの CP 対 称 性 の 破 れを 探 索 する.しかし,CP 対 称 性 の 破 れ を 確 実 に 測 定 するためには,さらに 高 統 計 高 精 29

31 図 3. スーパーカミオカンデ 検 出 器 でとらえた, 加 速 器 ニュートリノビームによるニュートリノ 反 応 事 象. 粒 子 が 放 つチェレンコフ 光 がリング 状 に 見 えている. 図 5. 完 成 した 928 メガピクセル CCD カメラ ( 左 ). 現 在 はすばる 望 遠 鏡 に 取 付 けられている ( 右 ). 図 4. ハイパーカミオカンデ 検 出 器 の 概 念 図. 縦 横 約 50m, 長 さ 約 250m のタンク2つに 計 100 万 トンの 超 純 水 を 満 たす. 度 の 実 験 を 行 う 必 要 がある. 当 研 究 室 では, 次 世 代 実 験 のための 装 置 として, 現 行 のスーパーカミ オカンデの 約 20 倍 の 大 きさを 持 つハイパーカミオ カンデ 検 出 器 ( 図 4)を 実 現 させるべく 研 究 を 行 っ ている.ハイパーカミオカンデ 検 出 器 は, 素 粒 子 の 大 統 一 理 論 で 予 言 されている 陽 子 崩 壊 の 探 索 や, 超 新 星 からのニュートリノ 検 出 なども 世 界 最 高 感 度 で 行 うことのできる, 宇 宙 と 素 粒 子 の 分 野 にわ たる 幅 広 い 研 究 を 行 うための 実 験 装 置 である. 3 すばる 望 遠 鏡 を 使 ったダークエネルギーの 研 究 近 年 の 宇 宙 論 観 測 は, 宇 宙 の 約 23%と 73%は,そ れぞれダークマターとダークエネルギーによって 占 められていて, 物 質 はわずか 4%を 占 めるのみで あり,かつ, 宇 宙 は 現 在, 加 速 膨 張 しているとい う 驚 くべき 発 見 をもたらした. 通 常 の 物 質 や 輻 射 ( 光 )だけが 存 在 している 宇 宙 では, 宇 宙 の 膨 張 は 減 速 する 一 方 である. 膨 張 を 加 速 させるためには, 重 力 とは 異 なり, 宇 宙 全 体 に 対 して 斥 力 として 働 く 存 在 が 必 要 であり,これがダークエネルギーで 図 6. 試 験 観 測 で 得 られたアンドロメダ 銀 河 M31 の 画 像. 拡 大 すると,230 万 光 年 かなたの M31 の 星 々が 一 個 々々 分 離 して 見 分 けられる. ある.ダークエネルギーは,アインシュタインの 一 般 相 対 論 に 取 って 代 わる 新 たな 物 理 法 則 の 存 在 を 意 味 しているかもしれない.ダークエネルギーの 研 究 は, 時 空 の 構 造 とその 究 極 の 構 成 要 素 を 探 求 する 素 粒 子 物 理 学 のメインテーマとなりつつある. この 不 思 議 なエネルギー,ダークエネルギーの 研 究 は, 現 在 のところ 加 速 器 実 験 では 不 可 能 で, 天 文 観 測 によって 行 う 必 要 がある. 当 研 究 室 では, 重 力 レンズと 呼 ばれる 天 体 現 象 を, 世 界 最 大 級 の 望 遠 鏡 である すばる 望 遠 鏡 を 使 って 測 定 すること で,ダークエネルギーの 正 体 に 迫 る.すばる 望 遠 鏡 に 搭 載 した 928 メガピクセル CCD カメラ( 図 5)は, 平 成 24 年 8 月 にファーストライトに 成 功 した( 図 6). 素 粒 子 物 理 と 宇 宙 論 と 呼 ばれる 宇 宙 の 進 化 を 研 究 する 分 野 との 関 わりはますます 深 く なってきた. 今 後,この 学 際 的 分 野 をおおいに 発 展 させていきたい. 30

32 浅 井 研 究 室 浅 井 祥 仁 教 授 石 田 明 助 教 1 研 究 の 背 景 この 研 究 室 は 素 粒 子 研 究 をエネルギーフロン ティア 加 速 器 と 小 型 テーブルトップ 実 験 の 両 側 か ら 研 究 を 行 うユニークな 研 究 室 です 素 粒 子 を 使 っ て 時 空 や 真 空 をさぐることをテーマに 幅 広 く 研 究 を 行 っています 2 最 近 の 研 究 テーマ (A) ヒッグス 粒 子 の 発 見 と 超 対 称 性 粒 子 研 究 : 世 界 最 高 エネルギー LHC での 素 粒 子 研 究 ; 2012 年 7 月 についにヒッグス 粒 子 が 発 見 された この 研 究 に 東 京 大 学 素 粒 子 物 理 国 際 研 究 センター と 当 研 究 室 はこの 重 要 な 成 果 をあげた ヒッグス 粒 子 の 発 見 は 真 空 はカラではなく 特 殊 な 状 態 (ヒッグス 場 に 満 ちている)にあることの 初 めての 実 験 的 な 検 証 である ヒッグス 場 は 素 粒 子 の 質 量 の 起 源 のみならず その 変 化 ( 真 空 の 相 転 移 )が 宇 宙 の 進 化 をもたらしたと 考 えられており 素 粒 子 の 研 究 を 通 して 宇 宙 誕 生 の 謎 にせまる これか ら 真 空 の 研 究 が 重 要 になってくる LHC(Large Hadron Collider) 実 験 は ジュネー ブ 郊 外 にある 円 周 27km の 大 型 加 速 器 ( 写 真 )で あり 2015 年 より 重 心 系 エネルギー 14TeV の 世 界 最 高 エネルギーで 素 粒 子 実 験 が 再 開 される ヒッ グス 粒 子 の 発 見 は 新 しい 原 理 が 背 後 にあること を 示 唆 している その 最 有 力 候 補 が 超 対 称 性 であ る 超 対 称 性 粒 子 は 宇 宙 の 暗 黒 物 質 の 有 力 候 補 で ありその 発 見 は 宇 宙 の 進 化 を 理 解 する 上 でも ま た 超 対 称 性 は 時 空 の 構 造 に 密 接 に 結 びついた 本 質 的 な 対 称 性 であり 重 力 を 場 の 理 論 に 取 り 込 む 上 でも 不 可 欠 である この 様 に 素 粒 子 物 理 ばかりで なく 宇 宙 など 多 くの 関 連 分 野 に 大 きな 影 響 を 与 えることが 期 待 されている この 超 対 称 性 粒 子 の 探 索 を LHC で 行 っている (B) 小 規 模 実 験 (テーブルトップ)での 標 準 理 論 を 超 えた 素 粒 子 現 象 の 探 索 ; 大 きな 実 験 で 最 先 端 の 素 粒 子 物 理 を 追 い 求 めると 同 時 に 自 分 の 手 や 頭 で 実 験 する 技 術 や 能 力 を 高 める 為 の 小 規 模 な 実 験 を LHC 実 験 と 並 んで 取 り 組 んでいる アクシオンなどの 軽 い 未 知 の 素 粒 子 探 索 レプ トン 世 界 の CP 破 れの 探 索 やポジトロニウム( 電 子 と 陽 電 子 で 構 成 される 世 界 で 一 番 軽 い 原 子 )を LHC 加 速 器 の 写 真 用 いた 高 精 度 の 量 子 電 磁 気 学 の 検 証 新 しい 光 を 使 った 素 粒 子 実 験 など 幅 広 く 行 っている 下 の 写 真 は 自 由 電 子 レーザ(サクラ)である 世 界 最 高 強 度 の 光 を 用 いた 光 同 士 の 散 乱 実 験 を 行 い ヒッ グスで 垣 間 見 た 真 空 の 構 造 を 探 っている 本 研 究 室 は 光 を 用 いた 新 しい 素 粒 子 実 験 を 目 指 し SACLA などの 高 輝 度 X 線 を 用 いた 実 験 や 強 力 なミリ 波 (TH z 波 )の 光 源 開 発 や 検 出 器 開 発 を 行 ている Spring8 と SACLA: 世 界 最 強 強 度 X 線 実 験 装 置 3 今 後 の 展 開 LHC でヒッグスが 発 見 され 2015 年 には 超 対 称 性 の 発 見 が 期 待 されている これらは ただの 新 粒 子 の 発 見 でなく 新 しい 素 粒 子 研 究 の 時 代 の 幕 開 けである 真 空 や 時 空 と 言 ったいままで 入 れ 物 だと 思 われていたものへ 研 究 対 象 が 広 がっていく と 思 われる これらのトピックスを 別 の 角 度 か ら 研 究 するテーブルトップ 実 験 も 展 開 していく 31

33 安 東 研 究 室 安 東 正 樹 准 教 授 道 村 唯 太 助 教 当 研 究 室 では 重 力 波 物 理 学 相 対 論 実 験 の 研 究 を 進 めている. 特 に, 重 力 波 天 文 学 の 分 野 を 切 り 拓 くことが 現 在 の 中 心 テーマであり, 大 型 低 温 重 力 波 望 遠 鏡 KAGRA の 建 設,および, 重 力 波 の 観 測 技 術 に 関 する 研 究 を 精 力 的 に 進 めている. 1. 重 力 波 による 新 しい 天 文 学 物 理 学 重 力 波 は 時 空 のさざ 波 とも 呼 ばれ, 質 量 の 激 しい 加 速 度 運 動 などで 生 じた 時 空 の 歪 みが 波 と して 空 間 を 伝 搬 するものである. 重 力 波 は, 物 質 に 対 する 強 い 透 過 力 を 持 ち, 誕 生 直 後 の 宇 宙 の 姿 や, 超 新 星 爆 発 や 連 星 合 体 などの 高 エネルギー 天 体 現 象 の 中 心 部 を 直 接 観 測 することを 可 能 にする. またそれにより, 地 上 の 実 験 で 再 現 することが 困 難 な 極 限 状 態 ( 高 エネルギー, 高 密 度, 強 重 力 場, 強 磁 場 ) の 現 象 を 調 べ, 物 理 学 のフロンティアを 切 り 拓 くことも 期 待 されている. 物 理 学 や 天 文 学 の 大 きな 目 標 の1つは, 宇 宙 の はじまり 進 化 と 未 来,そして, 私 たちの 宇 宙 を 支 配 する 究 極 の 法 則 を 理 解 することであろう. 重 力 波 は, 新 しい 宇 宙 の 姿 を 私 たちにもたらすこと で,それらに 直 接 迫 る 手 段 となる 可 能 性 をもって いるのである. 2. 重 力 波 天 文 学 の 幕 あけ 重 力 波 の 存 在 は, 一 般 相 対 性 理 論 の 帰 結 の 1 つ として,1916 年 にアインシュタインによって 予 言 された. 米 国 の LIGO プロジェクトは, 2015 年 9 月 にブラックホール 連 星 の 合 体 から 放 射 される 重 力 波 信 号 を 捕 え, 重 力 波 を 用 いた 新 たな 天 文 学 が 幕 をあけた. 本 格 的 な 天 文 学 的 知 見 を 得 るために は, 複 数 台 の 望 遠 鏡 で 同 時 に 信 号 を 捕 え,その 位 2009 年 に 打 ち 上 げられた SDS-1 衛 星. 当 研 究 室 開 発 の 超 小 型 重 力 波 望 遠 鏡 SWIM を 搭 載 していた. 置 や 偏 波 を 特 定 することが 必 要 である.そのため, LIGO 以 外 にも 世 界 各 地 で 高 い 感 度 を 持 つ 次 世 代 レーザー 干 渉 計 の 建 設 が 進 められている. 日 本 で も, 岐 阜 県 神 岡 の 地 下 サイトで, 大 型 低 温 重 力 波 望 遠 鏡 KAGRA(かぐら) の 建 設 が 進 められてい る.これらの 干 渉 計 では, 重 力 波 信 号 の 直 接 観 測 に 十 分 な 感 度 が 実 現 される 見 込 みであり, 本 格 的 な 観 測 が 開 始 される 2018 年 頃 には, 本 格 的 な 重 力 波 天 文 学 が 始 まることが 期 待 されている. 3. 重 力 波 研 究 のひろがり 重 力 波 望 遠 鏡 では,10 23 程 度 の 歪 み 量 といった 微 弱 な 効 果 を 観 測 するための 極 限 的 な 計 測 技 術 が 用 いられており,それ 自 身 が 興 味 深 い 研 究 対 象 に も 成 り 得 る. 光 スクイージングなどの 量 子 光 学 的 な 手 法, 熱 雑 音 の 低 減 のための 冷 却 技 術 などを 用 いることで, 高 精 度 の 周 波 数 基 準, 巨 視 的 な 物 体 の 量 子 力 学, 相 対 論 重 力 法 則 の 検 証,といった 精 密 計 測 実 験 研 究 への 広 がりももたらされている. 初 期 宇 宙 の 直 接 観 測 を 目 指 して, 将 来 宇 宙 に 重 力 波 望 遠 鏡 を 打 ち 上 げる 計 画 も 進 められている ( 欧 米 の elisa 計 画 や 日 本 の DECIGO 計 画 ). 当 研 究 室 では,そのための 宇 宙 技 術 の 基 礎 研 究 開 発 も 進 めて おり,2009 年 には, 小 型 の 重 力 波 望 遠 鏡 モジュー ル SWIM の 打 ち 上 げと 宇 宙 実 証 に 成 功 している. 私 たちは, 重 力 波 の 研 究 や,その 観 測 に 必 要 な 先 進 的 な 技 術 の 研 究 開 発 を 通 じて, 物 理 学 のフロ ンティアを 押 し 広 げたいと 考 えています. 大 型 低 温 重 力 波 望 遠 鏡 KAGRA の 概 念 図. 研 究 室 の HP: 32

34 Kathrin Wimmer 研 究 室 Kathrin Wimmer 講 師 Atomic nuclei are the carrier of almost all visible mass in the universe. Nuclei also provide the fuel powering stars and nuclear reactions produce all naturally occurring chemical elements. Despite this fundamental role of nuclei in the universe, their structure and dynamics cannot yet be satisfactorily described on the basis of the fundamental strong interaction. In our research group we address a number of open questions in this interesting field of science: What is the origin of the elements on the cosmos? What is the nature of the nuclear force? How do simple patterns arise in complex nuclei? 1 The origin of the elements The Big Bang only created hydrogen and helium nuclei, all other elements were created in stars or stellar explosions like supernovae or X-ray bursts. However the reactions creating the heavy elements involve nuclei whose properties are completely unknown so far and only theoretical models exist. New experiments are therefore needed to get a better understanding of the origin of elements. number of protons stable ~300 radioactive ~ 3000 predicted ~ Sn rp-process 82 Pb r-process of atomic nuclei can change. In order to understand the underlying causes for the migration of nuclear shells, sensitive experimental methods are of paramount importance to investigate rare isotopes far from stability. Atoms: 54: xenon 5p 4d 5s 36: krypton 4p 3d 4s 18: argon 3p 3s 10: neon 2p 2s Stable nuclei: p 1/2 2f 5/2 1i 13/2 3p 3/2 1h 9/2 2f 7/2 2d 3/2 1h 11/2 3s 1/2 1g 7/2 2d 5/2 1g 9/2 N>>Z??? Exotic nuclei: p 1/2 2f 5/2 3p 3/2 1h 9/2 2f 7/2 1h 11/2 1g 7/2 2d 3/2 3s 1/2 2d 5/2 1g 9/2 3 Shape coexistence An atomic nucleus can exhibit eigenstates with different shapes, a unique behavior of the manybody quantum system. This phenomenon, called shape coexistence, is manifested in several regions of the nuclear chart and many experiments to investigate it have been performed. Nevertheless the underlying microscopic origin of this interesting feature is not known to date. We focus our research in particular on the single-particle properties of nuclei, trying to find out under what conditions the shape of the nucleus is round like a soccer ball or deformed like an American football Ni number of neutrons 2 New magic numbers One of the major successes in the description of the properties of atomic nuclei was the introduction of the nuclear shell model. For certain numbers of protons or neutrons, the so-called magic numbers, discontinuities occur, for example in the nucleon separation energies. In analogy to the successful atomic shell model, these magic numbers were interpreted as closed shell configurations, similar to the noble gases. In exotic nuclei however, far away from the stable isotopes, several experimental as well as theoretical investigations found evidence that the shell structure Our research focuses the structure of radioactive nuclei. We use direct reactions to populate states in the exotic nuclei and state-of-the-art experimental equipment. Experiments using the most exotic nuclei available allow us to get some first information on the properties of hithero unknown nuclei. Detailed studies of nuclei closer to stability are crucial to constrain theoretical models. Nuclear physics is very international field, we collaborate with groups at several leading research institutions, in Japan and abroad. Our experiments are performed at world leading radioactive beam facilities such as the RIBF (JAPAN), NSCL (USA) and TRIUMF (Canada). For more information about the group and current research projects visit: 33

35 上 田 研 究 室 上 田 正 仁 教 授 古 川 俊 輔 助 教 1 研 究 の 背 景 近 年 のナノサイエンスの 発 展 により 原 子 や 分 子 光 子 を 量 子 1 個 のレベルで 精 密 に 測 定 し 制 御 することが 可 能 になってきた 当 研 究 室 では こ のような 高 い 制 御 性 を 有 する 系 での 量 子 多 体 問 題 の 解 明 と その 基 礎 となるナノスケールの 熱 力 学 統 計 力 学 の 構 築 を 目 指 して 理 論 研 究 を 行 っている 2 最 近 の 研 究 テーマ 冷 却 原 子 気 体 真 空 中 にトラップされた 極 低 温 の 原 子 気 体 は 原 子 間 相 互 作 用 の 強 さを 含 むほとんどすべての 物 質 パラメーターを 自 在 に 変 化 させることができる 究 極 の 人 工 量 子 物 質 であり 様 々な 物 理 現 象 に 共 通 する 普 遍 的 な 法 則 の 探 究 が 可 能 である 例 えば 極 低 温 で 実 現 される 巨 視 的 量 子 現 象 であるボース ア インシュタイン 凝 縮 のダイナミクスには 超 新 星 爆 発 や 宇 宙 初 期 の 相 転 移 とも 類 似 した 現 象 が 現 れ る また 原 子 気 体 の 時 間 発 展 を 正 確 に 追 うこと で 孤 立 系 がいかに 熱 平 衡 状 態 に 至 るかという 統 計 力 学 の 基 本 的 問 題 を 研 究 することもできる 私 たちは 冷 却 原 子 気 体 を 題 材 に 様 々な 量 子 多 体 物 理 の 解 明 を 目 指 して 研 究 に 取 り 組 んでいる 最 近 の 研 究 では 相 互 作 用 が 強 い 極 限 (いわゆ るユニタリティ 極 限 )における 原 子 系 の 普 遍 的 な 性 質 の 解 明 に 取 り 組 んでいる ユニタリティ 極 限 のフェルミ 気 体 には 原 子 種 に 依 らない 普 遍 的 熱 力 学 が 観 測 され 高 温 超 伝 導 や 中 性 子 星 との 類 似 性 からも 興 味 深 い 問 題 を 提 供 している ユニタリティ 極 限 近 傍 では 自 己 相 似 性 を 持 った 三 体 束 縛 状 態 で あるエフィモフ 状 態 も 観 測 され くりこみ 群 の 流 れが 周 期 性 を 持 ったリミット サイクルのユニー クな 具 体 例 としてその 普 遍 性 を 研 究 している ま た 系 の 大 局 的 性 質 を 捉 えるトポロジーの 概 念 を 応 用 して 凝 縮 相 における 渦 や 単 極 子 の 性 質 の 解 明 や 人 工 ゲージ 場 のもとでの 量 子 ホール 状 態 の 研 究 にも 取 り 組 んでいる 今 後 は 様 々な 対 称 性 を 持 った 超 流 動 や 超 低 温 における 化 学 反 応 非 可 換 統 計 の 具 現 化 など 様 々な 分 野 にまたがる 学 際 的 な 研 究 に 発 展 していくものと 期 待 される 量 子 論 および 統 計 力 学 と 情 報 理 論 の 融 合 私 たちは 情 報 をキーワードとして 量 子 論 や 統 計 力 学 の 基 礎 づけとなる 研 究 を 行 い さらに 情 報 理 論 と 量 子 論 統 計 力 学 を 融 合 することで 新 たな 学 問 分 野 の 構 築 を 目 指 している 最 近 私 たちは 量 子 測 定 理 論 を 応 用 することで 光 格 子 中 の 冷 却 原 子 の 位 置 を 高 精 度 に 測 定 する 方 法 を 提 案 した( 右 下 図 参 照 ) 弱 いプローブ 光 で 得 た 像 であっても 原 子 位 置 のベイズ 推 定 を 行 うことで 回 折 限 界 を 超 えた 分 解 能 が 達 成 されることを 示 した また 測 定 やフィードバック 制 御 を 伴 うもとでの 揺 らぎの 定 理 や 熱 力 学 第 二 法 則 の 一 般 化 量 子 力 学 固 有 の 相 関 である 量 子 もつれを 用 いた 熱 機 関 ハイゼン ベルグの 不 確 定 性 関 係 の 情 報 論 的 定 式 化 量 子 測 定 における 情 報 の 流 れなどの 研 究 にも 取 り 組 んで いる これらの 研 究 は 量 子 揺 らぎや 測 定 の 反 作 用 が 無 視 できない 微 小 非 平 衡 系 の 研 究 の 基 礎 を 与 えると 期 待 される 他 方 で 熱 力 学 におけるエン トロピー 増 大 則 も 系 の 乱 雑 さの 単 調 増 加 性 として 情 報 論 的 に 捉 えられると 期 待 される 私 たちは 最 近 情 報 論 的 エントロピーを 応 用 して エントロ ピー 増 大 則 の 統 計 力 学 からの 基 礎 づけに 取 り 組 ん でいる 3 今 後 の 展 開 情 報 ( 認 識 ) 数 学 生 命 を 含 む 広 い 視 点 から 物 理 現 象 の 基 礎 的 理 解 とその 普 遍 性 を 探 究 する Boson Atom number Lattice site Fermion Atom number Lattice site Detections Detections 左 図 : 光 格 子 にトラップされた 冷 却 原 子 の 撮 像 プ ローブ 光 が 原 子 により 散 乱 された 後 レンズにより 集 光 されスクリーンに 像 を 結 ぶ 得 られた 像 から 原 子 位 置 が 推 定 される 右 図 : 量 子 測 定 理 論 により 追 跡 した 多 原 子 の 波 束 の 実 時 間 収 縮 過 程 パウリの 排 他 律 により ボソ ン( 右 上 )よりもフェルミオン( 右 下 )の 方 が 波 束 の 収 縮 が 速 く 起 こる このような 解 析 を 応 用 する 事 で 原 子 位 置 の 測 定 が 回 折 限 界 を 超 えた 分 解 能 で 行 える Physical Review Letters 115, (2015) より 転 載 34

36 大 塚 研 究 室 大 塚 孝 治 教 授 阿 部 喬 助 教 1 研 究 の 背 景 原 子 の 中 心 には 原 子 核 がある 原 子 核 の 半 径 は 原 子 の 半 径 の 約 10 万 分 の 1 で ミクロな 原 子 より さらに 小 さく 原 子 核 は 超 ミクロな 世 界 となる 原 子 核 の 中 には 物 質 =エネルギーがびっしりと 詰 まっ ている 原 子 核 は 陽 子 と 中 性 子 で 構 成 され 陽 子 と 中 性 子 は 総 称 して 核 子 と 呼 ばれる 核 子 同 士 は 核 力 と 呼 ばれる 強 い 相 互 作 用 によって 結 合 し 原 子 核 は 量 子 論 的 な 塊 になっている 原 子 核 の 中 では 陽 子 や 中 性 子 がいろいろな 軌 道 の 上 を 動 いている 核 子 は 核 力 のために 互 いに 引 っぱった り 反 発 したりして そのため 核 子 は 絶 えず 軌 道 を 変 えているが 全 体 としてはまとまっているちょっ と 不 思 議 な 世 界 である このように 複 数 の 核 子 か ら 構 成 される 量 子 多 体 システムである 原 子 核 の 構 造 それが 引 き 起 こす 反 応 を 理 論 的 に 研 究 してい るのが 我 々の 研 究 室 である さらには 核 力 その ものも 完 全 には 分 かっていないので 研 究 の 対 象 である 2 最 近 の 研 究 テーマ 地 球 上 に 自 然 にある 物 質 を 構 成 している 原 子 核 は 安 定 核 と 呼 ばれ 陽 子 と 中 性 子 の 数 が 大 体 等 し くなっている 陽 子 と 中 性 子 が 強 い 引 力 で 一 体 と なって 多 体 系 を 構 成 しているので 安 定 しており 寿 命 が 無 限 か 非 常 に 長 い 宇 宙 には 陽 子 と 中 性 子 がひどくずれているエキ ゾチック 核 というものが 存 在 し それが 超 新 星 爆 発 など 物 質 誕 生 プロセスの 謎 を 解 き 明 かす 鍵 に なっている エキゾチック 核 は 存 在 時 間 が 非 常 に 短 く また 陽 子 数 と 中 性 子 数 のアンバランスに 起 因 する 安 定 核 には 見 られない 特 異 な 性 質 を 数 多 く 持 っている そのエキゾチック 核 が 持 つ 性 質 を 解 明 し その 存 在 限 界 をさぐるのが 最 近 の 大 きな 研 究 テーマである それには 様 々な 理 論 手 法 が 用 いら れる 我 々のグループにより 約 20 年 前 に モン テカルロ 殻 模 型 という 計 算 手 法 が 提 案 され そ れまでは 巨 大 な 計 算 機 を 用 いても 実 行 不 可 能 とさ れてきた 理 論 計 算 が 可 能 になった モンテカルロ 殻 模 型 に 基 づくシミュレーションにより ある 与 えられた 陽 子 数 と 中 性 子 数 の 原 子 核 が 球 形 や 楕 円 形 になったりすることを 示 すことができる その 例 が 下 の 図 に 示 されており ニッケル 68 というエ キゾチック 原 子 核 がそのエネルギーによって 球 に なったり 楕 円 になったりするのが 分 かる 1949 年 にメイヤーとイェンゼンが 原 子 核 の 殻 モ デルを 発 表 して 魔 法 数 について 説 明 した 魔 法 数 とは 陽 子 や 中 性 子 の 個 数 が 魔 法 数 (2,8,20,50 などが 安 定 核 の 魔 法 数 )になった 時 に 原 子 核 が 特 別 な 安 定 性 を 得 るものである 一 方 核 力 の 特 徴 的 な 成 分 であるテンソル 力 などのために エキゾ チック 核 の 魔 法 数 は 安 定 核 のものから 変 わり 得 る 事 を 我 々の 研 究 室 で 発 見 した そのために 上 で 示 した 20 が 魔 法 数 でなくなり 16 が 取 って 代 わ ることがある などを 世 界 で 初 めて 示 してきた 原 子 核 に 中 性 子 を 加 えていくと それ 以 上 には 加 えられない 限 界 に 達 する この 存 在 限 界 の 解 明 は 原 子 核 物 理 学 の 基 本 課 題 の 一 つである 最 近 こ の 課 題 に 3 体 力 が 極 めて 重 要 で 明 瞭 な 役 割 を 果 たしていることを 発 見 した 通 常 力 は2 個 の 間 に 働 くものであり 3 個 の 間 に 働 く 力 は 珍 しく そ れが 決 定 的 な 役 割 を 果 たしていることは 予 想 され ていなかった その 顕 著 な 例 として 酸 素 原 子 核 の 存 在 範 囲 が 異 常 に 狭 いのは 何 故 か という 長 年 の 謎 を 解 決 した 3 今 後 の 展 開 エキゾチック 核 の 物 理 は 始 まったばかりで 新 しい 現 象 やデータが 出 つつある 様 々な 理 論 手 法 を 用 い 或 いは 創 りだして それらを 予 言 したり 解 析 したりしながら 原 子 核 の 真 の 姿 を 探 り 核 力 の 隠 された 性 質 を 研 究 している 図 の 説 明 : 陽 子 28 個 中 性 子 40 個 からなるエ キゾチック 核 ニッケル 68 の 形 状 の 理 論 的 予 言 3 種 類 の 形 が 比 較 的 低 いエネルギーで 出 現 する 35

37 岡 田 研 究 室 岡 田 康 志 教 授 1. 生 命 とは 何 か 生 命 の 基 本 単 位 は 細 胞 だと 考 えられています し かし 細 胞 の 構 成 成 分 であるタンパク 質 や 脂 肪 核 酸 を 混 ぜ 合 わせただけでは 生 命 は 生 じません 生 きているという 状 態 を 物 理 の 言 葉 で 理 解 すること が 生 物 物 理 学 の 究 極 の 目 標 です 私 たちは タ ンパク 質 などの 分 子 機 械 がどのように 機 能 するこ とで 生 命 現 象 が 営 まれているかを 計 測 し 理 解 す ることで その 秘 密 に 迫 りたいと 考 えています 2. 百 聞 は 一 見 に 如 かず 図 の 左 側 は 従 来 の 顕 微 鏡 像 で 右 側 が 我 々の 開 発 した 超 解 像 顕 微 鏡 による 像 ミトコンドリアの 外 側 表 面 の 膜 の 複 雑 な 動 態 が 世 界 で 初 めて 観 察 さ れた そのために 私 たちは 生 命 現 象 が 営 まれてい る 現 場 を 自 分 の 目 で 見 て 考 えるという 姿 勢 を 大 事 にしています そこで 私 たちはこれまで タンパ ク 質 分 子 の1 個 1 個 が 機 能 する 様 子 を 直 接 観 察 し さらには 直 接 操 作 することを 目 的 として X 線 結 晶 回 折 クライオ 電 子 顕 微 鏡 蛍 光 一 分 子 計 測 な ど 様 々な 計 測 法 を 開 発 し 理 論 モデルに 基 づく 仮 説 を 検 証 することで タンパク 質 分 子 モーターが ブラウン 運 動 を 巧 実 に 整 流 することで 方 向 性 のあ る 動 きを 実 現 する 機 構 を 解 明 してきました また 同 様 のアプローチをマウスやウサギなどの 胎 児 ( 初 期 胚 ) に 適 用 することで 体 表 面 に 生 えている 線 毛 運 動 が 引 き 起 こす 流 れが 身 体 構 造 の 左 右 対 称 性 を 破 って 心 臓 が 左 側 にあり 肝 臓 が 右 側 にあるとい う 左 右 非 対 称 性 を 生 み 出 すことを 発 見 し 発 生 学 の 教 科 書 を 書 き 換 えました 更 に 定 量 計 測 と 理 論 計 算 によって その 流 体 力 学 的 な 機 構 の 解 明 に も 成 功 しました 最 近 では 細 胞 の 中 でタンパク 質 が 集 合 して 形 成 する 100nm 程 度 の 微 細 構 造 が 生 生 命 機 能 を 実 現 する 現 場 を 直 接 観 察 することを 目 標 として 世 界 最 高 速 の 超 解 像 顕 微 鏡 の 開 発 に 成 功 しました そして これを 用 いて 細 胞 を 観 察 す ることで 従 来 の 教 科 書 に 描 かれている 細 胞 像 と は 全 く 異 なる 未 知 の 現 象 を 日 々 発 見 しています 3. 未 知 のフロンティア シュレーディンガーが 生 命 とは 何 か と 問 う た 時 代 から 70 年 以 上 が 経 過 しました この 間 の 計 測 技 術 の 進 歩 によって 細 胞 を 分 子 レベルで 定 量 的 に 計 測 することが 実 現 しました 前 人 未 踏 の フロンティアが 目 の 前 に 拡 がっています 私 たち と 共 に 自 分 の 手 で 実 験 し 自 分 の 目 で 見 て 自 分 の 頭 で 考 えることで 未 知 の 世 界 を 探 求 してみ ませんか? 36

38 岡 本 研 究 室 岡 本 徹 准 教 授 枡 富 龍 一 助 教 1. 二 次 元 の 世 界 の 電 子 二 次 元 の 世 界 といってもアニメやゲームの 話 ではありません 分 子 原 子 電 子 原 子 核 な どのミクロな 粒 子 の 性 質 がわかっていても その 集 合 状 態 の 諸 性 質 を 解 明 することは 容 易 ではあり ません 物 性 物 理 学 が 対 象 とするのは こうし たマクロな 物 質 中 に 見 られる 諸 現 象 であり 磁 性 や 超 伝 導 などがなじみ 深 いかと 思 います 私 たち の 研 究 室 では 半 導 体 の 界 面 や 表 面 を 使 って 電 子 を 二 次 元 の 世 界 に 閉 じ 込 めて その 集 団 的 振 る 舞 いを 研 究 しています 2. 半 導 体 表 面 の 二 次 元 電 子 系 と 量 子 ホール 効 果 これまで 二 つのノーベル 物 理 学 賞 が 二 次 元 電 子 における 発 見 に 対 して 与 えられていますが い ずれも 半 導 体 デバイスの 中 に 閉 じ 込 められた 界 面 二 次 元 電 子 系 の 電 気 抵 抗 に 関 するものでした こ れに 対 して 最 近 私 たちの 研 究 室 では 極 低 温 超 高 真 空 下 でへき 開 して 得 られた 表 面 に 微 量 の 金 属 原 子 を 乗 せることによって 作 られる 二 次 元 電 子 系 の 研 究 を 行 っています 図 1 (a) に 表 面 二 次 元 系 で 観 測 された 量 子 ホール 効 果 の 実 験 例 を 示 します 図 1 (b) のように InSb へき 開 表 面 に 微 量 の 鉄 原 子 を 蒸 着 することによっ て 二 次 元 電 子 を 誘 起 しました 磁 場 中 におかれた 物 質 に 電 流 を 流 すと 電 流 方 向 だけではなく 電 流 および 磁 場 に 直 交 する 方 向 に 電 圧 (ホール 電 圧 ) が 生 じます この 現 象 はホール 効 果 として 知 られ ていますが ホール 電 圧 と 電 流 の 比 すなわちホー ル 抵 抗 が 完 全 に 量 子 化 された 値 ( 物 理 定 数 h/e 2 を 整 数 または 分 数 で 割 った 値 )を 示 すのが 量 子 ホー ル 効 果 です これは 電 子 の 運 動 エネルギーが 強 磁 場 中 ではランダウ 準 位 と 呼 ばれるとびとびの 値 に 量 子 化 されることから 生 じる 二 次 元 の 世 界 だけで 見 られる 現 象 です 界 面 の 二 次 元 系 とは 対 照 的 に 表 面 ではマイク ロプローブで 直 接 触 れる 楽 しみがあります 走 査 トンネル 顕 微 鏡 を 用 いると 構 造 観 察 だけでは なく トンネル 電 流 の 電 圧 依 存 性 から 電 子 状 態 密 度 スペクトルを 調 べることができます 図 1 (c) の B = 10 T のグラフは 図 1 (a)(b) と 同 じ 試 料 でラ ンダウ 準 位 を 観 測 した 結 果 です 左 記 の 研 究 のほかに 半 導 体 界 面 の 二 次 元 電 子 系 における 電 子 間 相 互 作 用 磁 性 量 子 相 転 移 の 研 究 や 原 子 一 個 分 程 度 の 厚 さの 金 属 薄 膜 の 超 伝 導 磁 性 の 研 究 なども 行 っています 詳 細 については をご 覧 下 さい ρxx (kω) di/dv (a. u.) (b) (c) (a) B = 0 T T = 4.2 K B = 10 T i = 5 i = B (T) 5 nm h ie2 ρ xx E E 1 F E 2 VDOS LL0 VDOS R H LL V (mv) 0 RH (kω) 図 1:(a) 二 次 元 電 子 系 における 量 子 ホール 効 果 (b) STM 像 ランダムな 黒 丸 が Fe 原 子 (c) 同 一 試 料 で 測 定 されたランダウ 準 位 37

39 小 形 研 究 室 小 形 正 男 教 授 松 浦 弘 泰 助 教 小 形 研 究 室 では 物 性 物 理 学 に 関 する 理 論 的 研 究 を 行 っている マクロ 又 はメゾ 的 なスケールで 原 子 や 電 子 が 集 まった 場 合 には 単 なるシュレディンガー 方 程 式 で は 記 述 できないような 振 る 舞 いをする たとえば 相 転 移 現 象 や 巨 視 的 な 量 子 コヒーレンス 状 態 の 実 現 などである 物 性 物 理 学 または 凝 縮 系 物 理 学 と 呼 ばれる 分 野 は この 複 雑 かつ 多 様 な 物 理 現 象 を 追 求 するというところに 興 味 の 根 源 がある 物 質 という 日 常 的 なものの 中 に いろいろな 可 能 性 が 含 まれており 実 験 によって 検 証 できる 奇 妙 な ( 予 想 外 な) 現 象 をミクロに 理 解 することを 通 して 新 しい 法 則 や 概 念 を 見 出 すことを 目 標 にしている 我 々の 研 究 室 で 扱 っている 対 象 は 金 属 絶 縁 体 超 伝 導 超 流 動 などで とくに 量 子 効 果 が 目 で 見 える 効 果 として 現 れるものに 興 味 を 持 って 研 究 している 通 常 の 金 属 中 の 電 子 に 関 しても フェル ミ 縮 退 という 極 めて 量 子 力 学 的 な 状 態 にあり さ らにクーロン 相 互 作 用 によって 1 つの 電 子 の 運 動 が 他 の 電 子 に 強 く 相 関 を 持 ちつつ 運 動 するという 強 相 関 の 状 態 になっている またスピンによっ て 生 じる 強 磁 性 ( 磁 石 ) なども 古 典 力 学 の 範 囲 内 で は 理 論 的 に 理 解 できないものであり 純 粋 に 量 子 力 学 的 効 果 によるものであることが 簡 単 に 示 される これらの 問 題 とくに 強 い 相 関 を 持 つ 電 子 系 など を 理 論 的 にどのように 取 り 扱 ったらよいかという 問 題 は 長 年 にわたる 理 論 物 理 学 の 未 解 決 の 問 題 になっている 従 って 強 相 関 の 問 題 の 解 明 のた めの 新 しい 手 法 を 開 発 し それのもたらす 特 異 な 物 性 を 明 らかにすることができれば 本 質 的 に 新 しい 物 理 の 一 分 野 を 開 拓 することに 繋 がると 考 え ている 研 究 室 としては 毎 週 のセミナーがある 以 外 に は 各 自 ほとんど 独 自 に 研 究 を 行 っている 自 分 で これは 面 白 そうだという 問 題 があれば それを 取 り 上 げて 日 夜 徹 底 的 に 考 える ただし よい 問 題 を 探 し 出 すのが 最 も 重 要 であり その 人 のセンス が 問 われるところである 研 究 に 用 いる 手 法 は 問 題 に 応 じてさまざまで 問 題 に 適 した 新 しい 手 法 を 開 発 して 用 いることになる 具 体 的 には 場 の 理 論 的 手 法 厳 密 解 変 分 法 計 算 機 シミュレー ションなどの 方 法 を 組 み 合 わせて 用 いている 最 近 の 研 究 テーマ 以 下 例 として 現 在 研 究 室 で 行 なわれている 研 究 のいくつかを 挙 げる (1) 高 温 超 伝 導 高 温 超 伝 導 という 通 常 の 金 属 と 全 く 異 なった 特 異 な 性 質 を 強 相 関 または 強 いスピンゆらぎ 電 荷 ゆらぎに 起 因 するものと 考 えて 研 究 している と くにモット 絶 縁 体 という 強 相 関 特 有 の 状 態 を 深 く 考 察 することによって 新 たな 理 論 物 理 の 地 平 を 目 指 している (2) 新 しいトポロジカル 状 態 スピン 軌 道 相 互 作 用 が 効 いているような 物 質 で 新 しい 量 子 状 態 が 生 まれており これについても 微 視 的 な 観 点 からの 理 論 を 構 築 している たとえ ば カイラル 磁 性 のダイナミクス 新 しいトポロ ジカル 物 質 の 開 拓 スピンホール 効 果 と 軌 道 帯 磁 率 との 関 連 性 スピン 軌 道 相 互 作 用 がある 場 合 の ディラック 電 子 の 超 伝 導 スピン 流 の 微 視 的 な 定 義 の 問 題 などについても 研 究 を 行 っている (3) 固 体 中 のディラック 電 子 単 層 グラファイト(グラフェン)や ある 種 の 有 機 導 体 さらに 古 くから 調 べられている 物 質 であ る Bi(ビスマス)において 電 子 の 運 動 が 相 対 論 的 量 子 力 学 におけるディラック 方 程 式 と 全 く 同 じ 形 式 で 記 述 される こうした 固 体 中 のディラック 電 子 は これまでにない 新 しい 伝 導 現 象 を 生 み 出 しうると 予 想 される ディラック 電 子 のトポロジカ ルな 性 質 とともに 我 々は 興 味 ある 物 性 を 開 拓 す べく 研 究 を 開 始 している 科 研 費 のホームページ は (4) 低 次 元 有 機 伝 導 体 に 関 する 理 論 有 機 物 においても 電 気 伝 導 を 示 す 物 質 群 がある その 場 合 には 電 荷 の 自 由 度 が 特 異 な 振 舞 いをする 可 能 性 がある 我 々の 研 究 室 では 電 荷 秩 序 状 態 や それが 量 子 融 解 した 状 態 などを 調 べている さ らに 絶 縁 体 状 態 でのスピン 自 由 度 については ス ピン 液 体 という 非 常 に 理 解 不 能 な 液 体 状 態 が 実 現 しており これについても 研 究 している ホームページ 38

40 桂 研 究 室 桂 法 称 准 教 授 赤 城 裕 助 教 1 研 究 の 概 要 本 研 究 室 では 物 性 物 理 学 統 計 力 学 の 基 礎 的 な 問 題 に 関 する 理 論 的 研 究 を 行 っている 研 究 内 容 は 多 岐 に 渡 り 実 験 系 の 研 究 者 から 数 学 者 まで 幅 広 い 分 野 の 研 究 者 との 共 同 研 究 を 行 っている 点 も 特 色 である 物 性 理 論 物 質 の 見 せる 多 彩 な 相 や 相 転 移 臨 界 現 象 を 個 々のミクロな 構 成 要 素 に 関 する 情 報 だけから 説 明 することは 一 般 には 難 しいが なるべく 単 純 な 原 理 原 則 からスタートして 理 解 することを 試 み たいと 考 えている より 具 体 的 には 相 互 作 用 す る 多 体 系 ( 電 子 系 ボゾン 系 スピン 系 )に おける 磁 性 強 誘 電 性 量 子 ホール 効 果 超 伝 導 な どの 物 性 の 発 現 するメカニズムの 解 明 新 奇 現 象 の 理 論 的 な 提 案 を 目 指 したい 同 時 に 新 しい 理 論 的 手 法 の 開 発 も 積 極 的 に 行 いたいと 考 えている 統 計 力 学 古 典 量 子 統 計 力 学 や 場 の 理 論 における 可 解 な 模 型 の 解 けるメカニズムに 興 味 を 持 って 研 究 を 行 っ ている 多 くの 場 合 これらの 背 後 には 何 らかの 代 数 構 造 が 潜 んでいることが 多 いが そのような 数 学 的 概 念 の 探 究 および 物 性 や 量 子 情 報 分 野 への 応 用 を 行 いたいと 考 えている また 非 線 形 非 平 衡 系 の 統 計 力 学 にも 興 味 を 持 っている 2-2. Fermi/Bose-Hubbard 模 型 の 研 究 Hubbard 模 型 は 古 くは 固 体 中 の 電 子 間 相 互 作 用 を 記 述 する 理 想 化 された 模 型 として 近 年 では 光 学 格 子 中 の 原 子 を 記 述 する 基 礎 的 な 模 型 として 重 要 な 役 割 を 果 たしてきた この 模 型 のハミルト ニアンは 単 純 であるが その 基 底 状 態 や 熱 力 学 的 性 質 を 調 べることは 通 常 困 難 である 現 在 まで 一 次 元 系 や 特 殊 な 状 況 においてのみ 厳 密 な 結 果 が 知 られている 本 研 究 室 では 分 散 のないバンドを 持 つ Fermi-Hubbard 模 型 における 強 磁 性 の 時 間 反 転 対 称 性 の 破 れのある 場 合 への 拡 張 長 岡 強 磁 性 の SU(n) 対 称 性 のある Fermi-Hubbard 模 型 への 拡 張 を 行 った また 分 散 のないバンドを 持 つ Bose- Hubbard 模 型 における 朝 永 -Luttinger 液 体 相 の 存 在 や スピン 自 由 度 を 持 つ Bose-Hubbard 模 型 に おける 基 底 状 態 の 磁 性 に 関 する 研 究 も 行 った マグノンの 熱 ホール 効 果 の 概 念 図 (Science 329, 297 (2010) より) 2 最 近 の 研 究 テーマ 2-1. マグノンの 熱 ホール 効 果 ホール 効 果 は 古 典 的 には 磁 場 中 の 荷 電 粒 子 に 働 くローレンツ 力 によって 引 き 起 こされる 効 果 で 電 気 的 に 中 性 な 粒 子 (たとえば 光 子 やフォノン) では 起 こらないと 考 えられる しかし 本 研 究 室 では 磁 性 体 においてスピン 間 の 相 互 作 用 (Dzyaloshinskii- 守 谷 相 互 作 用 )が 電 気 的 に 中 性 な 素 励 起 (マグノ ン) に 仮 想 的 な 磁 場 として 働 き ホール 効 果 を 引 き 起 こすことを 世 界 に 先 駆 けて 理 論 的 に 提 案 した このマグノンのホール 効 果 は 熱 流 のホール 効 果 としてパイロクロア 構 造 を 持 つ 強 磁 性 体 Lu 2 V 2 O 7 などの 物 質 において 実 際 に 実 験 的 に 観 測 されてい る また 理 論 的 には この 現 象 の 背 景 には 電 子 系 での 量 子 ホール 効 果 やトポロジカル 絶 縁 体 と 共 通 の 構 造 がある 2-3. その 他 フラストレート 磁 性 体 とマルチフェロイクス/5d 遷 移 金 属 酸 化 物 と 量 子 スピンホール 効 果 /フラスト レート 伝 導 系 とトポロジカルホール 効 果 /Rydberg 原 子 系 とハードスクエア 模 型 / 量 子 スピン 系 とエン タングルメント/Berry 位 相 と Lieb-Schultz-Mattis の 定 理 /トポロジカル 欠 陥 ソリトン/ 一 次 元 量 子 系 のサイン 二 乗 変 形 / 超 対 称 性 の 破 れ 3 これからの 研 究 スピン 系 やボゾン 系 のトポロジカル 相 における 熱 ホール 効 果 などの 輸 送 現 象 を 調 べていきたい ま た 超 伝 導 や RVB(resonating-valence-bond) 状 態 などが 電 子 間 相 互 作 用 によりどのように 発 現 す るかを 解 明 したい 可 解 模 型 を 含 む 量 子 多 体 系 の 数 理 的 な 側 面 に 関 する 研 究 も 意 欲 的 に 行 いたい と 考 えている 39

41 五 神 - 湯 本 - 吉 岡 研 究 室 湯 本 潤 司 教 授 森 田 悠 介 助 教 1 光 物 理 学 の 展 開 光 とは 何 かという 問 いは 永 く 人 々を 捉 えてき た 19 世 紀 後 半 に 電 磁 気 学 が 20 世 紀 には 現 代 物 理 学 の 柱 となる 量 子 論 相 対 論 が 完 成 し 光 の 物 理 学 が 一 旦 完 成 した しかし 1960 年 のレーザー の 発 明 により 齎 された 強 くかつコヒーレントな 光 が 光 の 物 理 学 の 様 相 を 一 変 させた 可 視 光 は テレビや FM 放 送 で 使 われる 超 短 波 帯 の 電 波 に 比 べ 周 波 数 は 7 桁 も 高 く その 位 相 や 振 幅 の 自 在 な 制 御 は 不 可 能 であった しかし 半 導 体 エレクト ロニクス 技 術 とレーザー 技 術 の 融 合 により これ が 完 全 に 制 御 可 能 となった この 革 新 により アト 秒 (10 18 秒 )という 超 短 パルス 光 を 発 生 する 技 術 が 確 立 しつつある これは 従 来 は 瞬 間 現 象 として 捉 えられてきた 電 子 の 量 子 準 位 間 の 遷 移 の 様 子 を 追 跡 可 能 とする また 16 桁 以 上 の 周 波 数 純 度 をもつレーザー 光 も 実 現 しつつある これ は 一 秒 を 定 義 する 高 精 度 の 時 間 基 準 を 与 え 物 理 基 本 定 数 の 恒 常 性 や 一 般 相 対 論 の 効 果 等 物 理 学 の 土 台 を 精 密 に 検 証 可 能 とする 当 研 究 室 では このようなレーザーの 革 新 によっ て 始 まった 新 しい 物 理 学 の 研 究 に 取 り 組 んでいる 例 えば 現 在 理 化 学 研 究 所 の 協 力 を 得 て 本 郷 キャ ンパスに THz から 軟 X 線 にわたる 広 い 波 長 領 域 のコヒーレント 光 ビームを 発 する フォトンリン グ 施 設 の 整 備 を 進 めている これによりアト 秒 領 域 の 超 高 速 現 象 や 強 い 光 子 場 での 量 子 現 象 等 人 類 が 未 踏 の 世 界 に 到 達 できる 物 理 学 の 新 境 地 を 拓 き 医 療 バイオあるいはエネルギー 等 広 い 分 野 の 新 しい 技 術 の 扉 を 開 くものと 期 待 されている また レーザーの 飛 躍 的 な 発 展 は 金 属 ガラス などの 材 料 を 高 速 で 切 断 や 融 着 することを 可 能 にし 産 業 として 重 要 な 技 術 に 成 長 している 切 断 や 融 着 は 数 100 年 以 上 の 歴 史 を 持 つ そ れを 物 理 現 象 として 捉 えると 原 子 結 合 の 切 断 同 種 あるいは 異 種 の 原 子 同 士 の 結 合 が 基 本 となるが よりミクロな 視 点 で 扱 おうとすると 非 線 形 非 平 衡 開 放 系 という 現 代 物 理 学 の 最 先 端 の 課 題 に 到 達 する 当 研 究 室 では 物 質 科 学 レー ザー 物 理 微 小 加 工 技 術 や 分 析 技 術 を 駆 使 し こ の 身 近 な 現 象 を 光 と 物 質 の 相 互 作 用 として 明 らか にする さらに 産 業 界 が 直 面 している 技 術 課 題 の 学 理 の 追 求 を 通 じた 解 決 を 目 指 している 2 光 で 創 る 巨 視 的 量 子 現 象 もう 一 つの 研 究 課 題 は 光 を 用 いて 物 質 を 極 低 温 な 状 態 とし そこに 生 じる 巨 視 的 な 量 子 現 象 を 探 求 することである レーザーから 出 てくる 光 子 集 団 は 非 常 にエントロピーが 小 さいことを 巧 みに 利 用 すると 物 質 を 瞬 時 に 極 低 温 に 冷 却 できる こ の 手 法 を 用 いて 真 空 中 に 捕 獲 した 原 子 気 体 半 導 体 中 に 光 励 起 した 電 子 系 を 対 象 として 巨 視 的 量 子 状 態 を 創 る 実 験 を 進 めている 量 子 統 計 性 と 物 質 に 内 在 する 相 互 作 用 との 競 合 や ボース アイ ンシュタイン 凝 縮 等 の 量 子 力 学 的 な 相 転 移 に 着 目 し 量 子 論 の 本 質 に 迫 ることを 目 指 している 現 在 100mK という 極 低 温 下 での 半 導 体 のレーザー 照 射 という 世 界 でもユニークな 実 験 や リチウム 同 位 体 原 子 を 用 いたフェルミ 粒 子 系 の 巨 視 的 量 子 凝 縮 相 の 探 求 を 進 めている 3 時 空 間 の 対 称 性 制 御 による 新 しい 量 子 光 学 最 新 の 微 細 加 工 技 術 を 駆 使 すると 波 長 より 遙 かに 小 さいスケールの 人 工 構 造 を 作 ることができ る このナノスケール 構 造 をうまく 設 計 すると 自 然 界 の 物 質 にない 光 学 特 性 を 示 す 人 工 材 料 を 創 り 出 せる 当 研 究 室 では 最 先 端 の 微 細 加 工 技 術 3 次 元 電 磁 波 解 析 といった 支 援 ツールを 駆 使 し 局 所 及 び 大 域 的 な 対 称 性 制 御 の 物 理 という 観 点 からフォトンを 自 在 に 操 るための 新 原 理 探 索 と その 実 証 を 進 めている 現 在 テラヘルツから 紫 外 の 広 い 波 長 領 域 を 対 象 に 人 工 キラル 構 造 によ るフォトン 操 作 三 回 回 転 対 称 ナノ 周 期 構 造 によ るフォトン 角 運 動 量 変 換 当 の 研 究 を 進 めている 参 考 1. 五 神 真 原 子 を 光 で 冷 やす-レーザー 光 が 拓 く 極 低 温 の 世 界 イリューム, Vol.11 (2) 4-21(1999) 2. 五 神 真 光 で 創 る 固 体 の 巨 視 的 量 子 現 象 数 理 科 学, (2004) 3. 五 神 真 加 速 する 光 科 学 の 先 端 研 究 科 学 ( 岩 波 書 店 ), 76 (10) (2006) 4. 吉 岡 孝 高, 五 神 真 励 起 子 他 理 学 部 ニュー ス 2011 年 9 月 号 2012 年 5 月 号

42 駒 宮 研 究 室 駒 宮 幸 男 教 授 神 谷 好 郎 助 教 1 最 高 エネルギー 加 速 器 を 用 いた 素 粒 子 物 理 学 我 々は 最 高 エネルギーでの 素 粒 子 の 衝 突 実 験 に よって 素 粒 子 物 理 学 の 分 野 で 新 たな 地 平 を 切 り 拓 く ことを 目 指 している. ジュネーブの CERN では 陽 子 陽 子 コライダー LHC が 稼 働 し, 2012 年 7 月 に は, 素 粒 子 に 質 量 をもたらす ヒッグス 粒 子 の 発 見 があった. ヒッグス 粒 子 の 発 見 は 1974 年 の J/ψ 粒 子 (チャームクォーク)の 発 見 以 来 の 革 命 的 な 発 見 であり, 7 月 革 命 と 呼 んでいる. また 重 力 も 含 めた 統 一 理 論 で 決 定 的 な 役 割 を 果 たす 超 対 称 性 の 発 見 が 有 力 視 されている. これに 引 き 続 き 将 来 は, 電 子 陽 電 子 (e + e )の 線 形 コライダーで ある 国 際 リニアコライダー ILC での 実 験 で 素 粒 子 物 理 学 のパラダイムを 転 換 する. 暗 黒 エネルギー や 宇 宙 のインフレーションはヒッグス 粒 子 のよう な 基 本 的 なスカラー 粒 子 と 恐 らく 関 係 し, 暗 黒 物 質 は 超 対 称 性 粒 子 である 可 能 性 が 有 力 である. 極 微 の 世 界 = 素 粒 子 物 理 学 と 壮 大 な 宇 宙 論 は 深 く 関 係 している. 我 々は, 素 粒 子 物 理 国 際 研 究 センターと 協 力 して 大 学 院 生 を CERN に 送 り, ヒッグス 粒 子 の 研 究 や 超 対 称 性 粒 子 に 探 索 などの 重 要 なデータ 解 析 を 行 っている. 当 研 究 室 は, ILC 実 験 で 最 も 重 要 な 検 出 器 の 一 つである 電 磁 カロリメータの 開 発 や, 加 速 器 の 極 端 に 絞 られたビームサイズの 測 定 な ど, 世 界 中 の 大 学 や 研 究 所 と 共 に 国 際 リニアコライ ダー ILC の 推 進 を 牽 引 している. 2 革 新 的 な 中 小 実 験 や 測 定 器 開 発 研 究 の 推 進 大 学 院 生 や 若 い 研 究 者 が 大 型 国 際 実 験 の 舞 台 にデ ビューするには, 物 理 や 測 定 器 の 基 礎 的 な 知 識 を 十 分 に 身 に 付 け 実 験 全 体 を 見 渡 せる 広 い 視 野 をもつ ことが 必 要 である. このため, 本 質 的 な 物 理 に 迫 る 中 小 実 験 や 測 定 器 の 開 発 を 行 なうことによって 基 礎 的 なトレーニングを 行 なっている. 人 の 歩 く 速 度 くらいの 超 低 エネルギー 中 性 子 ( 超 冷 中 性 子 )を 高 さ 100µm のスリットに 通 すと, 地 球 の 重 力 で 量 子 力 学 的 束 縛 状 態 となり 鉛 直 方 向 に 約 10µm 間 隔 で 疎 密 の 縞 ができる, この 中 性 子 の 位 置 を µm 以 下 の 精 度 で 測 定 する 為 CCD の 表 面 に 10 B を 中 性 子 荷 電 粒 子 コンバータとして 蒸 着 した 測 定 器 を 開 発 し グルノーブルの ILL で 実 験 を 行 ない 昨 年 世 界 で 初 めてサブミクロンの 精 度 で 重 力 による 量 子 束 縛 状 態 の 疎 密 の 縞 を 観 測 する 事 に 成 功 した. 更 に, 新 しいアイデアに 基 づく 測 定 器 開 発 研 究 を 適 宜 実 施 する. 3 国 際 リニアコライダー ILC の 推 進 と 開 発 研 究 LHC のような 陽 子 陽 子 の 衝 突 実 験 に 比 べて, e + e の 実 験 はバックグラウンドが 圧 倒 的 に 低 くクリー ンで 素 過 程 が 直 接 見 えヒッグス 粒 子 の 詳 細 研 究 な どが 可 能 である. しかし, 円 形 の e + e コライダー ではシンクロトロン 放 射 によってエネルギーが 急 速 に 失 われるため, e + e を 向 かい 会 わせて 直 線 的 に 加 速 して 正 面 衝 突 させるエネルギー 欠 損 のないリ ニアコライダーが 圧 倒 的 に 有 利 である. このため 世 界 では ILC の 開 発 を 行 なっており, 本 研 究 室 は ILC のビームサイズをレーザー 干 渉 によって 精 密 に 測 る 機 器 ( 新 竹 モニター)の 研 究 開 発 を 行 ない, 世 界 一 絞 られた 電 子 ビームが 出 る KEK の ATF2 でビーム 試 験 を 行 なっている. ここでは 世 界 記 録 の 約 40 nm のビームサイズを 測 定 している. この 研 究 は ハードウエアが 好 きな 大 学 院 生 が 中 心 となっ て KEK と 協 力 して 行 なっている. また,ILC 実 験 で 最 も 重 要 な 検 出 器 の 一 つである 電 磁 カロリメー タの 開 発 を, この 測 定 器 のエキスパートである 当 研 究 室 のイギリス 人 の 研 究 員 を 中 心 として, 平 成 24 年 度 から 新 たに 始 めた. 本 研 究 室 のメインテーマは 最 高 エネルギーでの 加 速 器 を 用 いた 素 粒 子 実 験 であるが, 実 際 の 研 究 は 学 生 の 希 望 と 資 質 によって 上 記 したように 様 々な 選 択 肢 がある. 国 際 リニアコライダー ILC の 検 出 器 概 観 41

43 酒 井 広 文 研 究 室 酒 井 広 文 准 教 授 峰 本 紳 一 郎 助 教 1. はじめに 酒 井 広 文 研 究 室 では 最 先 端 レーザー 技 術 を 駆 使 した 原 子 分 子 物 理 学 に 関 する 実 験 を 中 心 とした 研 究 を 行 っている 当 研 究 室 では 安 易 に 流 行 を 追 うような 研 究 態 度 を 極 度 に 嫌 い 自 分 達 が 流 行 の 発 信 地 となるようなオリジナリティーの 高 い 研 究 を 行 うことを 目 標 としている 2. 研 究 テーマ 相 互 に 関 連 する 以 下 のテーマを 中 心 に 研 究 を 進 めている (1) 回 転 量 子 状 態 を 選 別 した 分 子 の 配 向 制 御 超 短 パルス 高 強 度 レーザー 光 と 分 子 との 相 互 作 用 で 発 現 する 様 々な 興 味 深 い 物 理 現 象 において 分 子 の 配 向 依 存 性 を 明 らかにするためには 配 向 度 の 高 い 分 子 試 料 を 生 成 する 技 術 の 開 発 が 不 可 欠 で ある 分 子 の 頭 と 尻 尾 を 区 別 しない 分 子 配 列 制 御 と 異 なり 分 子 の 頭 と 尻 尾 を 区 別 する 分 子 配 向 制 御 における 困 難 は 初 期 回 転 量 子 状 態 によって 分 子 配 向 の 向 きが 異 なる 点 にある この 困 難 を 克 服 するために 主 として 対 称 コマ 分 子 の 量 子 状 態 選 択 に 適 した 六 極 集 束 器 やより 一 般 的 な 非 対 称 コマ 分 子 の 量 子 状 態 を 選 択 できる 分 子 偏 向 器 を 用 いて 特 定 の 回 転 量 子 状 態 を 選 別 することにより 高 い 配 向 度 を 実 現 しつつ 分 子 配 向 制 御 の 更 なる 高 度 化 を 進 めている (2) 全 光 学 的 分 子 配 向 制 御 技 術 の 高 度 化 当 研 究 室 は レーザー 光 を 用 いてミクロの 世 界 の 分 子 を 操 る 研 究 で 世 界 の 先 頭 を 走 っている 直 線 偏 光 したレーザー 電 場 と 静 電 場 を 併 用 して 有 極 性 分 子 の 頭 と 尻 尾 も 区 別 した 配 向 制 御 の 実 現 に 成 功 したのを 始 めとし レーザー 光 の 偏 光 を 楕 円 と し 非 対 称 コマ 分 子 の 3 次 元 配 向 制 御 にも 成 功 し た 最 近 は レーザー 光 のピーク 強 度 付 近 で 急 峻 に 遮 断 されるレーザーパルスを 整 形 し レーザー 電 場 の 存 在 しない 状 況 下 での 分 子 配 向 制 御 に 成 功 したり 静 電 場 を 用 いずに 非 共 鳴 2 波 長 レーザー 電 場 のみを 用 いる 全 光 学 的 分 子 配 向 制 御 にも 成 功 した 今 後 は 上 述 した 量 子 状 態 選 別 技 術 との 融 合 を 図 り 全 光 学 的 手 法 で 高 い 配 向 度 をもつ 分 子 試 料 を 用 意 して 次 に 述 べる 分 子 内 電 子 の 立 体 ダイ ナミクス 研 究 に 適 用 する (3) 分 子 内 電 子 の 立 体 ダイナミクスの 研 究 超 短 パルス 高 強 度 レーザー 光 と 分 子 の 相 互 作 用 により 観 測 される 高 次 高 調 波 発 生 非 段 階 的 2 重 イオン 化 超 閾 イオン 化 などは トンネルイオン 化 した 電 子 が 光 の 1 周 期 以 内 で 再 衝 突 することに よって 起 こる 超 高 速 現 象 である また 最 近 は 搬 送 波 包 絡 位 相 の 制 御 された 数 サイクルパルスも 利 用 可 能 である 本 研 究 室 では (2) で 述 べた 他 のグ ループでは 容 易 に 用 いることのできない 配 向 した 分 子 試 料 を 用 いることにより 光 の 1 周 期 以 内 で 発 現 する 上 記 の 諸 現 象 に 関 する 分 子 内 電 子 の 立 体 ダイナミクス を 明 らかにする 研 究 を 進 めている (4) 電 子 イオン 多 重 同 時 計 測 運 動 量 画 像 分 光 装 置 を 用 いた 分 子 中 の 超 高 速 現 象 の 研 究 分 子 から 生 成 される 光 電 子 とイオンの 3 次 元 運 動 量 を 多 重 同 時 計 測 できる 装 置 を 最 近 開 発 した (3) で 述 べた 現 象 を 始 めとする 様 々な 現 象 の 詳 細 なメ カニズムの 解 明 を 目 指 す 3. 研 究 活 動 オリジナリティーの 高 い 実 験 研 究 を 行 うために はお 金 を 出 しても 手 に 入 らない 独 自 の 実 験 装 置 を 作 る 必 要 があり 当 研 究 室 でも 実 験 装 置 の 製 作 に は 力 を 入 れている また 研 究 室 では 実 験 データ の 解 釈 などに 関 するディスカッションが 頻 繁 に 行 われている 一 方 実 験 結 果 と 理 論 との 比 較 を 行 うため シミュレーションコードの 開 発 にも 力 を 入 れている 4. メッセージ 当 研 究 室 の 研 究 テーマには 化 学 との 境 界 領 域 に 位 置 するものもあるが 基 本 は 原 子 分 子 と 電 磁 場 との 相 互 作 用 に 関 する 量 子 力 学 であり 当 該 分 野 はまさに 物 理 学 を 学 んだ 者 の 活 躍 の 場 である 知 的 好 奇 心 に 溢 れた 若 い 頭 脳 を 歓 迎 する 当 研 究 室 に 関 する 情 報 は ホームページ ( や 年 次 研 究 報 告 で 得 られる また 具 体 的 な 質 問 や 見 学 の 申 し 込 みな どは 酒 井 広 文 まで (TEL: , hsakai@phys.s.u-tokyo.ac.jp) 学 部 学 生 向 けの 解 説 (1) 酒 井 広 文 Journal of the Vacuum Society of Japan( 真 空 )Vol. 53, No. 11, (2010). (2) 酒 井 広 文 日 本 物 理 学 会 誌 Vol. 61 No (2006). 42