2023 Fiscal Year Research-status Report
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
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19K03833
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
丸山 智幸 日本大学, 生物資源科学部, 教授 (50318391)
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2019-04-01 – 2025-03-31
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| 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 |
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| 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。
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| Current Status of Research Progress |
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。
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| 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。
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| Causes of Carryover |
一昨年まで、コロナウイルス発生による共同研究の打ち合わせや、学会等の出張を自粛せざるを得えなかった影響で、昨年度最初の時点で使用できていなかった助成金が少なくなかった。このため、共同研究や研究発表のための出張を再開しても、すべてを使用することはできなかった。次年度は、これまでできなかった対面による研究発表や情報交換をより活発に行うことで、助成金を有効に活用したいと考えている。
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