2017 Fiscal Year Annual Research Report
有限量子多体系精密計算法の開発と陽電子を含む原子分子系における新奇現象の開拓
| Project/Area Number |
16J02658
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
山下 琢磨 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
|
| Keywords | エキゾチックアトム / 陽電子 / 反陽子 / 反水素原子 / 共鳴状態 / ポジトロニウム |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
電子の反粒子である陽電子と原子との結合を詳細に検討するため，最外殻に一つの電子を持つ原子と陽電子の共鳴状態の研究を進めた．陽電子と銅原子が形成する共鳴状態を，同じ周期の元素であるカリウム原子と比較することで，原子のエネルギー準位から影響を強く受ける共鳴状態と，どちらの原子にも共通のメカニズムで発現する共鳴状態を識別した．この結果に着想を得て，陽電子と一つの価電子がイオンの周りで作る共鳴状態の系列について系統的な解析を行なった．この系列には，イオンの電場によって第一励起状態のポジトロニウムが永久双極子モーメントを獲得し，ポジトロニウム・イオン間の振動が現れることが明らかになった．ポジトロニウムがイオンに接近した際には，この系列が破綻し，別の共鳴機構が現れることが予見されていたが，本研究での解析により，共鳴機構を左右する原子のエネルギー準位が明らかになった．
陽電子と反陽子（陽子の反粒子）が結合した反水素原子は，水素原子と相互作用して特異な分子状態を作る可能性が指摘されていた．これを非断熱性の大きい新奇な系として着目し，昨年度から研究を進めてきた．本年度は，これまでヤコビ座標系で定義していたチャネルを，クーロン相互作用をより効率的に取り込む座標系で定義し直すことで，数値計算の安定性を得た．複素空間でのビリアル定理を導入することで，計算結果の信頼性を向上させた．次に、四粒子系での現象を詳しく理解するため，その副系である反陽子と水素原子の三粒子共鳴状態（水素反水素分子イオン）を分析した．三粒子系の精密な計算から，反陽子が水素原子と緩く結合した共鳴分子イオン状態を特定した．その中で最も浅い結合の状態は，従来の散乱計算では発見されていなかった状態であり，複素回転法を用いることで新たに発見することができた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
以下の三点から，現在までの進捗状況を評価した．
（１）陽電子原子の共鳴状態を広いエネルギー範囲・原子種に対して明らかにした．イオンの電場によって第一励起ポジトロニウムが永久双極子モーメントを獲得し，ポジトロニウム・イオン間の振動が現れる双極子系列に注目した．共鳴状態の性質について，両者の距離が長い領域での解析的な性質は分かっていたが，多体効果が現れる短距離領域では十分に議論されていなかった．本年度の研究で，陽電子アルカリ原子のリチウムからセシウムまでの共鳴状態のエネルギーと原子エネルギーの関係を明らかにし，論文として発表した．陽電子物理学の国際会議（POSMOL2017）でHot topic 講演に，計算化学の国際会議（ICCMSE2018）で招待講演に選出された．
（２）反水素原子と水素原子の共鳴分子状態の計算では，昨年度までの知見に基づいて，効果的な計算方法の改良を行うことができ，計算精度を向上できた．反陽子・陽子間基底関数の改良，主要構造に未導入だった角運動量相関，斥力の粒子間相互作用の直接的な記述の三点が効果的であることがわかり，大きな課題であった分子の共鳴エネルギーの決定に向けて，大きく前進した．また，現象論的な核力・対消滅の効果を取り入れた解析から，これらの効果が分子エネルギーに有意に大きな影響を与えることがわかり，今後の展開に広がりが生まれた．原子衝突学会国際会議発表奨励賞を受賞し，エキゾチック原子の国際会議（EXA2017）で発表を行った．
（３）散乱・化学反応の計算に有利な基底関数系を用いて，ポジトロニウムと反水素原子の共鳴状態計算を行い，先行研究と同等の高い計算精度で共鳴エネルギー・幅を明らかにした．この計算を基盤に，散乱計算コードの開発を行い，低エネルギーの散乱について試験的な成果を得た．低速反陽子国際会議（LEAP2018）の口頭発表に推薦された．
|
| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，非断熱性が大きく，反水素を用いた基礎物理学研究で最も望まれている以下の二つの四粒子系に注目して計算を進める．
（１）反水素原子と水素原子の共鳴分子状態の計算では，粒子組替え解離しきい値近傍での分子形成機構の解明に課題がある．水素原子の同位体や，低速衝突に関与する全ての全角運動量状態について分析を行なう．特に，S波以外の状態ではオービティング共鳴などの形状共鳴が発生し，粒子・反粒子消滅に対して超寿命を持つ状態も予想される．また，共鳴分子状態の構造分析を行い，従来の断熱近似計算の結果と比較することで，非断熱性が分子の構造にどのように影響を与えるかを明らかにする．複素空間スケーリング法により固有値の性質を解析し，実空間スケーリング法から反陽子・陽子間相関関数の平均値を求めて議論を進める．
（２）ポジトロニウムと反水素原子の散乱・反応の計算では，現在開発を進めている計算法を基盤に，多チャネルの分岐反応を扱う計算法の開発を進める．この反応により反水素イオンを生成する過程が素粒子実験の立場から興味を集めている．反水素イオンの合成は，反物質を能動的に冷却する道を拓くので，精密実験に適している．理論計算のためには，（a）複数の異なる角運動量での衝突過程と（b）競合する解離過程を取り入れる点が本研究の課題であり，衝突のエネルギー領域に合わせた基底関数系を用意する必要がある．これまでの共鳴状態計算の知見を生かしてこの問題に取り組む．
（１）（２）の系を雛形として，陽電子や反陽子という反粒子が原子・分子と結合・反応して生起する現象の新奇な原子物理学的側面を明らかにする．
|
