2015 Fiscal Year Annual Research Report
冷却原子を用いた中性子過剰な低密度核物質の状態方程式
| Project Area | Nuclear matter in neutron stars investigated by experiments and astronomical observations |
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| Project/Area Number |
24105006
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
堀越 宗一 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (00581787)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中務 孝 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 教授 (40333786)
向山 敬 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 准教授 (70376490)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / レーザー冷却 / 量子多体系 / ボース凝縮 / 超流動 / 中性子星 / 中性子物質 / 理論核物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)冷却原子実験による希薄中性子物質の状態方程式の決定：冷却フェルミ原子系が、希薄中性子物質と同じ温度領域、相互作用領域に属する事に注目し、冷却フェルミ原子系で中性子物質を実験的にシミュレートし、ゼロ温度極限における状態方程式を明らかにした。本研究は我々が開発した高精度な冷却原子の撮像システムと、トラップ系から一様系の物理量を抽出する厳密手法により達成された。本研究結果より、原子核理論と冷却原子実験が飽和核密度の半分の領域まで驚くほど良く一致していることが判った。つまり本研究によって、希薄な中性子物質はs波相互作用しているフェルミ気体として理解できることが明らかになった。
(2)p波コンタクトの測定：p波コンタクトという物理量の測定から、p波相互作用しているフェルミ粒子気体の熱力学量の決定を目指している。我々はRF分光と運動量分布の測定という２つの独立の実験からp波コンタクトの決定を目指している。今年度はRF分光によってp波コンタクトの測定に成功した。さらにp波超流動実現に最適な実験条件を探すため、３体ロス係数の温度依存性と相互作用強度依存性の測定を行い、ここから閾値則と３体ロス係数が散乱体積の何乗に依存するかという特性評価を行った。
(3)中性子星地殻領域の理論計算：中性子星地殻領域では、超流動状態の中性子が周期的に並んだ原子核の影響を受けながら動き回っていると考えられている。周期的ポテンシャル中のフェルミ粒子系では、通常はBloch波動関数の周期性が現れるが、対凝縮による対ポテンシャルの効果によって倍周期や3倍周期といった状態が現れ、エネルギー的にも安定になる可能性を示唆した。原子核の密度汎関数理論における理論の不定生の大きさも評価した。特に、超重元素領域の実験データとの比較や、理論同士の比較によって、これを評価し、現在の密度汎関数の問題点を明らかにした。
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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
冷却原子実験で希薄中性子物質の状態方程式を決定するという、最重要課題を達成できた。装置の大きなトラブルも現在生じていないため、残りの計画も達成できると見込んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)有限温度系での中性子物質の状態方程式の決定：今年度の研究はゼロ温度極限で行った。今後は、有限温度での中性子の状態方程式や、クーパー対が形成される詳細な物理を理論と比較しながら理解し、重イオン衝突実験との比較や、超新星爆発から中性子星が誕生する数値計算に適応する。実験技術は既に確立しており、解析の準備も整っているため、計画通り進むと考えられる。ただし、多体系の物理を与える自由度として相互作用に加え温度が入ってくるため、膨大なデータ取得を行う必要がある。実験と解析を合わせて半年程度かかると予想される。本研究結果は、物性物理、原子核物理、天体物理に大きく貢献すると期待される。
(2)p波コンタクトの測定：異なる実験条件（原子系の温度，相互作用強度）におけるコンタクトを測定し，さらにそのダイナミクスを調べることでp波相互作についてその特性を系統的に調べる。３体ロス係数の温度依存性と相互作用強度依存性の測定の精度を向上させ，十分な精度で３体ロス係数が散乱体積の何乗に依存するか決定を行う。さらに２次元フェルミ粒子系における弾性，非弾性散乱係数の評価とそれを記述する散乱パラメータを決定し，２次元系におけるp波コンタクトの決定も目指す。
(3)中性子星地殻領域の理論計算：低密度の中性子物質が原子核から溢れ落ちる状態である中性子星のインナークラスト領域での構造を、密度汎関数理論と周期性を正確に扱うBloch波動関数の枠組みで研究する。低密度のEOSとの関係を調査する。
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