Designing of experiments for fundamental physics using man-made atoms
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21K03575
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
吉村 太彦 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 客員研究員 (70108447)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 暗黒エネルギー / スカラー・テンソル重力理論 / 微細構造定数の時間変化 / 宇宙項 / 暗黒物質 / インフレーション / 原子重力波 / 原子ブラックホール / 人工原子 / 指数減衰崩壊則 / パリティ非保存 / 量子井戸 |
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| Outline of Research at the Start |
最近のナノ科学の進展は著しく、nm からミクロンサイズの量子ドットに１０ボルト程度の電圧を印可することで、様々な人口原子（電子のポテンシャル井戸閉じ込め）をつくることが可能になった。自然原子との大きな相違点は、電子を束縛する原子核の不在にあり、束縛状態のレベル構造、光遷移に関わる電子双極子の大きさ、の違いを生じる。技術的に可能な範囲で、原子のサイズとポテンシャルの深さを自在に調整でき、目的とする実験への最適化が容易になる。本研究では、共鳴状態にある電子のトンネル現象を使って、量子力学の予言する、不安定状態の指数減少法則からのずれ、すなわち時間のべき法則への移行を測定する実験の詳細設計をめざす。
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| Outline of Annual Research Achievements |
暗黒エネルギー問題とインフレーションを同時に解決する有力な理論として一般相対性理論を拡張したスカラー・テンソル重力理論が有望視されている。本研究では、Jordan-Brans-Dicke (eJBD)理論にポテンシャルを持ち込む拡張JBD 理論に対して、従来あいまいであった基本的枠組みを整備・拡張した。この理論では、微細構造定数が宇宙進化とともに変化し、これが観測による制約に矛盾する可能性が高かった。この困難を回避する一般的な方法として、標準素粒子理論の導入法を拡張し、コンフォーマル関数のべきをゲージ不変な5つのラグランジャン項に独立に付加する仕組みを構築した。この新たな拡張理論に基づき、理論に許されるパラメータの範囲を探求し、原子物理実験を含む既存の実験結果の制約から制約パラメータ領域を確定した。
許容パラメータ内で元素合成以降の暗黒エネルギーの占める割合、暗黒物質の割合等の宇宙進化を計算し、観測と見事に一致することを確かめた。既に提唱されているQuintessence 理論の一種の拡張とみなせるが、これまで不可能であったインフレーション理論との関連を議論できるのが本研究の大きな利点である。
拡張eJBD 理論の観測・実験による検証研究に着手し、Lepto-genesis に対する新たな理論を提唱した。この新しい理論では、宇宙進化によるスカラー場の時間変化が時間反転対称性を破り、レプトン非対称性が熱平衡状態でも起こり得る点が、これまでの理論と異なる。ニュートリノ振動実験の混合角と関連づけることも可能であるが、CP 非保存位相に依らない計算結果が導かれるのが新しい寄与である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究により構築されたeJBD拡張理論のパラメータ制約に対して,イオントラップによる原子物理実験が大きく寄与できることが判明した。これは本研究の目標と方向性の価値を一段と高めた。
一方で、その後の研究により、今後のスカラー・テンソル重力理論の詳細な確定にはadvanced LIGO,宇宙空間での観測を目指すLISA をはじめとする欧米の大型重力波観測が決定的に重要となることが判明しつつある。本研究計画が重視する 大学でのtable-top 実験の寄与が、これら大型実験では限定されており、この点は非常に残念である。
かねてより、ニュートリノ質量分光実験を磁束測定により実施する手法を提案していた。この実験および従来の放出輻射スペクトル測定は、ともにレーザー照射による高品質のコヒーランス生成が極めて重要である。この問題は量子情報分野にも関連する問題を含んでおり、その関連を含めて検討を開始した。
後述の発表論文への評価はダウンロード件数からみると高いと推定される。特にこの傾向は量子ドットを用いた量子力学原理の検証実験提案に1000件を超えるダウンロード数に表れている。コロナ禍の影響もあり、高品質量子ドットを作成できる研究者との連携は進んでいない。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度から東京女子大学の2名の理論研究者との共同研究を開始して既に重要な研究成果を公表した。今後もこの共同研究を推進して進展を図る。既に、重力波放出に関する研究をまとめて論文を作成中である。
高エネルギー実験とは異なる、宇宙観測によりミクロ物理学の最先端を極める方法論を構築しつつあり、世界の研究戦略のパラダイムシフトを狙う。
岡山大学の原子実験グループとは引き続き共同して、ニュートリノ質量分光実験を推進する。レーザー照射によるコヒーランス生成とその維持が重要であり、この面で理論研究を大阪大学の研究者等と進める。
岡山大学の所属実験グループでは、韓国、中国からの3名の大学院生を受け入れており、今後も実験研究者とともにアドヴァイスに努める。
できればイタリアパドヴァ大学グループとの国際共同研究を推進していきたい。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
