| Project/Area Number |
23K22487
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| Project/Area Number (Other) |
22H01216 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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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 | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福嶋 健二 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (60456754)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
服部 恒一 大阪大学, 核物理研究センター, 協同研究員 (10730252)
岡 隆史 東京大学, 物性研究所, 教授 (50421847)
山本 直希 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (80735358)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
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| Keywords | 相対論的回転 / スピン / 角運動量 / 輸送現象 / クォーク物質 / カイラリティ / クォーク / 渦度 / 相対論的流体力学 / カイラル運動論 / 磁場 / 強磁場 / カイラル量子異常 / トポロジー / 回転 / グルーオン / 相転移 / 渦 |
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| Outline of Research at the Start |
質量を無視できるフェルミ粒子、たとえば質量より大きな運動量、エネルギーをもって運動する電子などは、スピンと運動量が平行か反平行にならなければならない。原子核衝突実験では衝突エネルギースケールより遥かに軽いクォーク自由度が含まれ、クォークのスピンと運動量が強く相関している。そのため強磁場や高速回転でスピンが偏極すると運動方向も制限される。本課題はこの特殊な相関の物理、特に不安定性について研究する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
高エネルギーにおける相対論的原子核衝突実験では、ずれ衝突初期に発生すると考えられている強磁場と、クォーク・グルーオン・プラズマ中のカイラリティの揺らぎが結合することによって、カイラル磁気効果が観測できると期待され、同重体原子核を用いてカイラル磁気効果を探索する試みが何年にもわたって続けられてきた。カイラル磁気効果の決定的な証拠が見付からない一方で、ハイペロンのスピン偏極測定は有為にゼロでない偏極の存在を明らかにし、それによって軌道角運動量がスピンへと輸送されていることが確認されている。
本研究で取り組む課題は、クォーク物質のような質量を無視できるフェルミ粒子で構成される物質が、強磁場や高速回転のもとで、どのような物性的性質を示すのか、理論的に解明・予言することが目的である。とりわけスピン偏極については、いわゆるグローバル偏極は理論予言と実験結果が定性的に（ある程度は定量的にも）合致しているのだが、ローカル偏極は符号が逆転しており、定性的にさえ矛盾している。そのため相対論的スピン流体理論の構築を始めとする研究が世界の多くの研究者の興味を引いている。
本年度の研究では、スピン流体力学の理論の整備に取り組むと同時に、場の量子論的な手法によって、一様回転するクォーク・グルーオン物質の相転移の様子を明らかにした。さらに回転と磁場の共存する系について、熱力学的な安定性とゲージ不変性の問題に鋭く切り込み、一見関係していないように思われるこれらのキーワードが密接に絡み合い、正しい物理的な設定のもとでは、ゲージ不変で安定な熱力学系の性質を記述できることを実証できた。より驚くべきことは、このような系は、回転に対して素朴に期待される符号とは逆の角運動量を有し、磁気的な性質についてスピンよりも軌道角運動量の方が優位になるという、従来の常識を覆す結果を得た。
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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
本研究計画の要ともいえるポスドク研究員の確保に成功したことが、研究における大きな促進剤として作用している。インドからの着任のため、ビザの発行に余計な時間を要したことは想定外であったが、ポスドク研究員が積極的に課題を発見し、解析計算および数値計算を実行してくれたことにより、遅れを取り戻すだけの成果を得られたことは幸いであった。ポスドク研究員を議論の中心として、運動学的輸送方程式を駆使して、カイラル物質が磁場および渦度に対して不安定的な応答を示す現象についてまとまった結果が得られ、論文にまとめているところである。
並行して、場の量子論でのアプローチも一定の成果を収め、前年度から継続している、高温相での虚数回転による相転移の研究では、格子QCD数値シミュレーションの結果の一部をうまく説明できるような成果が得られた。また、磁場と回転が共存している物理系について、電場が誘導されてしまって不安定になる問題を解消する処方箋を確立し、そのような扱いのもとでの正しい計算を議論した。この計算はただ単にこれまで見落とされていた計算の問題点を指摘しただけでなく、定性的に全く新しい現象の予言をもたらした。すなわち、教科書的な常識では、パウリ常磁性とランダウ反磁性では、パウリ常磁性の方が大きな結果であって、外部磁場との結合は軌道角運動量よりもスピンの方が大きな寄与を与えると考えられている。ところが相対論的なエネルギー分散関係を持つフェルミ粒子の場合には、磁場が十分に強くなると、軌道角運動量からの寄与がスピンを凌駕することを新しく発見した。このように着実な計算によってこれまでの扱いの不十分な点を克服するだけでなく、新しい現象の予言にも繋がる成果が上がっており、研究はおおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は当初予定では本年度が最終年度であるが、ポスドク研究員の着任に時間がかかったことや、海外協力研究者を招聘した共同研究予定が急遽変更されたことなどにより、延長している。延長期間では、すでに積み上がっている成果を論文誌で発表していくとともに、ほぼ完成されたといってもよい、正しい場の量子論的な計算法、相対論的スピン流体方程式、および運動学的輸送方程式から現象論に直結する応用を展開し、本研究計画が最終的に目指していた新しい実験・測定の提言へと繋げていきたいと考えている。
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