Study of Gamma-Ray Vortecies on Production Process and Properties in Astronomical Syetem under Strong Magnetic Field, and Explore of Methods to Idenitify Vortex Photon in Experiments

• Project/Area Number: 19K03833
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 丸山 智幸 日本大学, 生物資源科学部, 教授 (50318391)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: シンクロトロン放射 / 強磁場 / ランダウ準位 / 角運動量 / 相対論的量子力学 / 光子渦生成 / 磁場 / 強磁場中性子星 / 非線形コンプトン散乱 / 光子渦 / 軌道角運動量 / 相対論的量子論 / ガンマ線渦 / 実験的検証方法

Outline of Research at the Start

螺旋状の波面を作り進行方向に軌道角運動量を持つ光渦が、様々な応用分野で盛んに研究が行われています。近年、この光渦が、ブラックホール近辺などの極限状態で、自然現象として発生している可能性が指摘されています。そこで、非常に強い磁場を持つ中性子星に焦点を当て、大きな磁場中での電子の運動により放出される光子（光の粒子）がガンマ線領域の「光子渦」となって放出される過程を、相対論的量子論の枠組みで理論的に研究します。また、日本や米国でガンマ線渦を実験室で発生させる計画が進行中ですが、その確認法も良く分かっていません。物質との反応を計算し実験での検証法を提案することも本研究の一部となっています。

Outline of Annual Research Achievements

１）前年，中性子等の天体系に存在する強磁場中で螺旋運動する電子からの光子渦放出を理論的に示したが、本年度は、現実の実験での検証法に関する理論研究を行なった。実験室で実現される磁場中で電子の螺旋運動によるランダウ準位数は10の8乗という巨大なものになり、ランダウ準位間の遷移を計算するのが非常に困難であった。これに対応するため、遷移行列に現れるラゲール多項式を漸近系に置き換える近似計算法を用いた。まず、数値的にこの近似式と厳密式とが大きなランダウ数で一致していることを確かめた上で、それを用いて実験での結果を予想する計算を行なった。実際に実験を行なえば、かなりはっきりとした検証結果が得られると考えられる。
２）一つの電子が円偏光した複数の光子を吸収して一つの光子を放出する、非線形コンプトン散乱による光子渦を生成の理論研究を行なった。この非線形コンプトン散乱を用いたガンマ線エネルギー領域での実験は日本で現在計画が進行しているものである。本研究では相対論的量子力学の枠組みで、電子、光子の波動関数を円筒波で記述することで、ファイマン法の計算式が簡単になることを用いて計算を実行した、その上で、実験結果を予想しそれを実験グループに示し、互いに議論を行なった。
３）電子気体中での光子渦伝搬の理論研究に着手した。第１段階として，強磁場電子気体中の陽イオン間電磁相互作用の、遮蔽に対する磁場の効果についての量子論での研究を行った。電子気体中の透磁率の計算において，非常に大きな外磁場の効果が見られた。この理論計算で得られた電子の相関関数を，今後、電子気体中での光子の自己エネルギー計算へ応用する計画である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

一昨年まで、コロナウイルス発生により共同研究の打ち合わせや、学会等の出張を自粛せざる終えなかった影響が未だに続いている。そして、このとき計算機の使用に制限が生じ、複雑なプログラムの製作が遅れてしまった
それでも、非線形コンプトン散乱による光子渦生成の理論計算は、発表直前の段階まで達することができた。
これに対し、強磁場中の電子気体中の光子伝搬の理論計算が予想以上に困難で、特に真空に対する強磁場の影響に関して明らかになっていないことが多い。また、光子渦の伝搬は対象ゲージを使用しないといけないが、相対論的エネルギーでの研究は世界でも多くは行われていない。このため、いまだ定式化が完成しておらず、研究に遅れが生じている。
輸送エネルギーをゼロと取ることで、電子気体中の陽イオン相互作用の計算に研究の方向を修正した。この結果をもとに、強磁場電子気体中のプラズマモードを調べるなどして、計画していた光子渦伝搬へ再び研究を推進しようと考えている。

Strategy for Future Research Activity

非線形コンプトン散乱によるガンマ線渦生成の研究を完成させ論文執筆を行なう。また、光子、電子の両方を平面波としたのを、一方を角運動量ゼロのベッセル波とすることで電子渦の発生に議論を進める。
さらに、電子気体中の光子の自己エネルギーの定式化を、相対論的量子力学の枠組みで、乱雑移送近似を用いて完成させ、強磁場中を進む光子渦の性質について研究を進める。真空に対する強磁場の影響は、最低ランダウレベルの寄与だけを取り入れる近似を考えている。その上で、乱雑位相近似の計算を対象ゲージの形式に変更することで、強磁場電子気体中のプラズマモードを調べるなどして、光子渦伝搬の研究を推進しようと考えている。
これらのことは幾つかの未解明なことを含むため、共同研究者と議論しながら、定式化についてチェックを重ねながら慎重に進めることになるであろう。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Soongsil University(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [Int'l Joint Research] Beihang University(中国)
• [Int'l Joint Research] 崇実大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] Beihang university(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [Int'l Joint Research] Soongsil university/Institute for Basic Science/POSTECH(韓国)
• [Int'l Joint Research] Beihang University(中国)
• [Int'l Joint Research] Soongsil university(韓国)
• [Int'l Joint Research] Beihang univerity(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [Int'l Joint Research] Soongsil university(韓国)
• [Int'l Joint Research] Beihang university(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [Journal Article] Photon vortex generation by synchrotron radiation experiments in relativistic quantum approach (2023)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Hajima Ryoichi、Kajino Toshitaka、Cheoun Myung-Ki
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 4 Pages: 0432891-9
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.043289
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Poincare covariant cascade method for high-energy nuclear collisions (2023)
  • Author(s): Nara Yasushi、Jinno Asanosuke、Maruyama Tomoyuki、Murase Koichi、Ohnishi Akira
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 108 Issue: 2 Pages: 024910-024910
  • DOI: 10.1103/physrevc.108.024910
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutron Star Cooling on Strong Magnetic Field : Neutrino -Antineutrino Pair Emission and Direct Urca Processes (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama, A.Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino, Motohiko Kusakabe, Grant J. Mathews
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: Panic2021 Pages: 320-320
  • DOI: 10.22323/1.380.0320
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 宇宙における光子渦の生成 (2022)
  • Author(s): 早川岳人、丸山智幸
  • Journal Title: フォトニクスニュース Volume: 8 Pages: 1-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutrino and Antineutrino pair-Emission in Strong Magnetic Field in Relativistic Quantum Approach (2022)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Balantekin A. Baha、Cheoun Myung-Ki、Kajino Toshitaka、Mathews Grand J.
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 260 Pages: 11029-11029
  • DOI: 10.1051/epjconf/202226011029
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A relativistic quantum approach to neutrino and antineutrino emission via the direct Urca process in strongly magnetized neutron-star matter (2022)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Balantekin A. Baha、Cheoun Myung-Ki、Kajino Toshitaka、Kusakabe Motohiko、Mathews Grant J.
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 824 Pages: 136813-136813
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136813
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of photon vortex by synchrotron radiation from electrons in Landau states under astrophysical magnetic fields (2022)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Kajino Toshitaka、Cheoun Myung-Ki
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 826 Pages: 136779-136779
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136779
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamical screening effects on big bang nucleosynthesis (2021)
  • Author(s): Hwang Eunseok、Jang Dukjae、Park Kiwan、Kusakabe Motohiko、Kajino Toshitaka、Balantekin A. Baha、Maruyama Tomoyuki、Ryu Chang-Mo、Cheoun Myung-Ki
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 11 Pages: 017-017
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/11/017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] νν￣-Pair synchrotron emission in neutron-star matter based on a relativistic quantum approach (2020)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Balantekin A. Baha、Cheoun Myung-Ki、Kajino Toshitaka、Mathews Grant J.
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 805 Pages: 135413-135413
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135413
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Momentum-dependent potential and collective flows within the relativistic quantum molecular dynamics approach based on relativistic mean-field theory (2020)
  • Author(s): Nara Yasushi、Maruyama Tomoyuki、Stoecker Horst
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 102 Issue: 2 Pages: 024913-024913
  • DOI: 10.1103/physrevc.102.024913
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for η′ Bound Nuclei in the C12(γ,p) Reaction with Simultaneous Detection of Decay Products (2020)
  • Author(s): N.Tomida, N.Muramatsu, M.Niiyama, J.K.Ahn, W.C.Chang, J.Y.Chen, M.L.Chu, S.Date, T.Gogami, H.Goto, H.Hamano, T.Hashimoto, Q.H.He, K.Hicks, T.Hiraiwa, Y.Honda, T.Hotta, H.Ikuno, Y.Inoue, T.Ishikawa, I.Jaegle, J.M.Jo, Y.Kasamatsu, H.Katsuragawa, S.Kido, Y.Kon, T.Maruyama, (全63名）
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 20 Pages: 202501-202501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.202501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Decomposition of nuclear symmetry energy based on Lorentz-covariant nucleon self-energies in relativistic Hartree-Fock approximation (2020)
  • Author(s): Tsuyoshi Miyatsu, Myung Ki Cheoun, Chikako Ishizuka, K. S. Kim, Tomoyuki Maruyama, Koichi Saito
  • Journal Title: Physics Letters, Section B: Nuclear, Elementary Particle and High-Energy Physics Volume: 803 Pages: 135282-135282
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135282
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spontaneous Spin Polarization of Quark Matter due to Tensor Selfenergies in NJL model (2020)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama and Toshitaka Tatsumi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1643 Pages: 012013-012013
• [Journal Article] Effect of Fock terms on nuclear symmetry energy based on Lorentz-covariant decomposition of nucleon self-energies (2020)
  • Author(s): Tsuyoshi Miyatsu, Myung-Ki Cheoun, Chikako Ishizuka, K.S.Kim, Tomoyuki Maruyama and Koichi Saito
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1643 Pages: 012015-012015
• [Journal Article] Spin Polarization Phases in Quark Matter: Interplay between Axial-vector and Tensor Mean-Fields (2019)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Nakano Eiji、Yanase Kota、Yoshinaga Naotaka
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 26
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.031023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spontaneous Spin Polarization due to Tensor Selfenergies in Quark Matter in NJL Model (2019)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Tatsumi Toshitaka
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 26
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.024020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compton Scattering of Hermite Gaussian Wave γ Ray (2019)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Kajino Toshitaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 7998-7998
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44120-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 実験室での電子シンクロトロン放射による光渦生成の量子論の枠組みでの理論研究 (2024)
  • Author(s): 丸山智幸, 早川岳人, 羽島良一, 梶野敏隆, 千明起
  • Organizer: 第４回光渦研究会
• [Presentation] Photon Vortex Production fin Relativistic Quantum Approach (2024)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: The 72nd OMEG-SSANP Wrokshop
• [Presentation] 非線形コンプトン散乱でのガンマ線エネルギー領域での光子渦生成の研究 (2023)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: 京都ミーティングW
• [Presentation] Photon Vortex Production in Astronomical System with Strong Magnetic Field (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: “Origin of Elements and Cosmic Evolution: From Big-Bang to Supernovae and Mergers” (OECE2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photon Vortex Production from Synchrotron Radiation in Relativistic Quantum Approach (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: Nuclear Photonics 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photon Vortex Production from Synchrotron Radiation in Relativistic Quantum Approach (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: The 79th Fujihara Seminar: Prospects for High Field Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photon Vortex Generation from Synchrotron Radiation of Electron in Relativistic Quantum Approach (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: 31st annual International Laser Physics Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 相対論量子論の枠組みでの非線形コンプトン散乱によるガンマ線渦生成の理論研究 (2023)
  • Author(s): 丸山智幸，早川岳人
  • Organizer: 日本物理学会2023年 春季大会
• [Presentation] Analysis of Final State interaction in Eta-Prime Production experiments using the QMD approach (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: RCNP workshop on Hadron Physics at the LEPS2 photon beam line
  • Invited
• [Presentation] 非線形コンプトン散乱によるガンマ線渦生成の理論予想 (2022)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: 京都ミーティング
• [Presentation] 強磁場中での電磁相互作用遮蔽効果の研究 (2022)
  • Author(s): 丸山智幸, 梶野敏隆, 日下部元彦, Eunseok Hwang, Kiwan Park, Kyujin Kwak, Myung-Ki Cheoun, Dukjae Jang, Youngshin Kwon, A.Baha Balantekin
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Cooling Processes of Neutron-Stars with Strong Magnetic Field in a Relativistic Quantum Approaches: Neutrino Anti-neutrino Pair Emission and Direct Urca Processes (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama, A. Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino, Motohiko Kusakabe
  • Organizer: The 16th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
• [Presentation] Generation of Photon Vortex by Synchrotron Radiation in Astrophysical Magnetic Fields (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama, Takehito Hayakawa, Toshitaka Kajino, Myong-ki Cheoun
  • Organizer: The 16th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
• [Presentation] Neutrino Emission during Cooling Process of Neutron-star with Strong Magnetic Field (2022)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: RCNP研究会「低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で読み解く中性子星」
• [Presentation] 非線形コンプトン散乱による光子渦放出の相対論的量子力学の枠組みによる理論研究 (2022)
  • Author(s): 丸山智幸, 早川岳人
  • Organizer: 日本物理学会 2022年 春季大会
• [Presentation] 強磁場中性子星物質でのシンクロトロン放射によるガンマ線渦放出 (2021)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: 京都ミーティング
• [Presentation] 強磁場中性子星物質でのDirect Urca 過程によるニュートリノ放出 (2021)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: 京都ミーティング
• [Presentation] 相対論的量子論の枠組みでの強磁場天体系からのガンマ線渦放出の研究 (2021)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: QST高崎サイエンスフェスタ
  • Invited
• [Presentation] 中性子星物質での直接過程(DU)における強磁場効果に対する相対論的量子力学の枠組みでの研究 (2021)
  • Author(s): 丸山智幸, A.Baha Balantekin, 千明起, 梶野敏隆, 日下部元彦, Grant J. Mathews
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Neutron Star Cooling on Strong Magnetic Field : Neutrino -Antineutrino Pair Emission and Direct Urca Processes (2021)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama, A. Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino, Grand J. Mathews
  • Organizer: 22nd Particles and Nuclei International Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutrino and Antineutrino pair-Emission in Strong Magnetic Field in Relativistic Quantum Approach (2021)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama, A.Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino and Grand J. Mathews
  • Organizer: The 16th International Symposium on Nuclei in the Cosmos (NIC16th)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physics on Gamma-ray Vortex: Generation in Strong Magnetic Field and Identification in Experiments (2021)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: 3rd International Conference on Nuclear Photonics (NP2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 非線形コンプトン散乱による光子渦放出の量子力学的アプローチによる理論研究 (2021)
  • Author(s): 丸山智幸, 早川岳人
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 運動量依存ポテンシャルを取り入れた相対論的平均場量子分子動力学(RQMD.RMF)による集団フローの解析 (2020)
  • Author(s): 奈良寧, 丸山智幸, Horst Stoecker
  • Organizer: 日本物理学会 2020年 秋季大会
• [Presentation] 中性子星の直接過程(DU)における強磁場効果に対する相対論的量子力学の枠組みでの研究 (2020)
  • Author(s): 丸山智幸, 梶野敏隆, 千明起, A. Baha Balantekin, Grant J. Mathews
  • Organizer: 日本物理学会 2020年 秋季大会
• [Presentation] DIRECT URCA過程による 強磁場中性子星物質の冷却についての 相対論的量子論アプローチによる研究 (2020)
  • Author(s): 丸山智幸、梶野敏貴、千明起
  • Organizer: 日本物理学会 2020春季大会
• [Presentation] Gamma-Vortex Generation in Synchrotorn Radiation based on Relativistic Quantum Framework (2020)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: REIMEI Workshop on "Universal Features of Quantum Flows with Spin, Orbital and Tensor Correlation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gamma-vortex Generation through Synchrotron Radiation in Strong Magnetic fields in Relativistic Quantum Approach (2019)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: Quarks and Compact Stars 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コンプトン散乱によるHGガンマ線の同定 (2019)
  • Author(s): 丸山智幸, 早川岳人, 梶野敏貴
  • Organizer: 日本物理学会 2019秋季大会
• [Presentation] Photo Reaction with Gamma-Ray Vorticies: Compton Scattering and Emission (2019)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama
  • Organizer: Challenges in Direct Nuclear Reactions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin Polarization due to Tensor Fields in NJL Model (2019)
  • Author(s): Tomoyuki Maruyama, Toshitaka Tatsumi
  • Organizer: The 27th International Nuclear Physics Conference (INPC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of gamma-ray vorticies with compton scattering (2019)
  • Author(s): Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Kajino Toshitaka
  • Organizer: he 27th International Nuclear Physics Conference (INPC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子星における強磁場の役割と現象への影響 (2019)
  • Author(s): 丸山智幸
  • Organizer: 高塚さんを偲ぶ研究会 －高密度ハドロン・クォーク物質の諸相と中性子星の構造・進化ー
  • Invited
• [Remarks] 丸山 智幸 ホームページ
  • URL: https://hp.brs.nihon-u.ac.jp/~tomo/index.html
• [Remarks] 丸山智幸 ホームページ 研究のページ
  • URL: https://hp.brs.nihon-u.ac.jp/~tomo/kenkyuu/tomo.htm