強磁場天体系でのガンマ線渦の生成と性質の研究および実験的実証方法の探求

• 研究課題/領域番号: 19K03833
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 丸山 智幸 日本大学, 生物資源科学部, 教授 (50318391)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 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 / 光子渦生成 / 磁場 / 強磁場中性子星 / 非線形コンプトン散乱 / 光子渦 / 軌道角運動量 / 相対論的量子論 / ガンマ線渦 / 実験的検証方法

研究開始時の研究の概要

螺旋状の波面を作り進行方向に軌道角運動量を持つ光渦が、様々な応用分野で盛んに研究が行われています。近年、この光渦が、ブラックホール近辺などの極限状態で、自然現象として発生している可能性が指摘されています。そこで、非常に強い磁場を持つ中性子星に焦点を当て、大きな磁場中での電子の運動により放出される光子（光の粒子）がガンマ線領域の「光子渦」となって放出される過程を、相対論的量子論の枠組みで理論的に研究します。また、日本や米国でガンマ線渦を実験室で発生させる計画が進行中ですが、その確認法も良く分かっていません。物質との反応を計算し実験での検証法を提案することも本研究の一部となっています。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] Soongsil University(韓国)
• [国際共同研究] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [国際共同研究] Beihang University(中国)
• [国際共同研究] 崇実大学(韓国)
• [国際共同研究] Beihang university(中国)
• [国際共同研究] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [国際共同研究] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [国際共同研究] Soongsil university/Institute for Basic Science/POSTECH(韓国)
• [国際共同研究] Beihang University(中国)
• [国際共同研究] Soongsil university(韓国)
• [国際共同研究] Beihang univerity(中国)
• [国際共同研究] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [国際共同研究] Soongsil university(韓国)
• [国際共同研究] Beihang university(中国)
• [国際共同研究] University of Wisconsin/University of Notre Dame(米国)
• [雑誌論文] Photon vortex generation by synchrotron radiation experiments in relativistic quantum approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Hajima Ryoichi、Kajino Toshitaka、Cheoun Myung-Ki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 号: 4 ページ: 0432891-9
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.043289
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Poincare covariant cascade method for high-energy nuclear collisions (2023)
  • 著者名/発表者名: Nara Yasushi、Jinno Asanosuke、Maruyama Tomoyuki、Murase Koichi、Ohnishi Akira
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 108 号: 2 ページ: 024910-024910
  • DOI: 10.1103/physrevc.108.024910
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutron Star Cooling on Strong Magnetic Field : Neutrino -Antineutrino Pair Emission and Direct Urca Processes (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama, A.Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino, Motohiko Kusakabe, Grant J. Mathews
  • 雑誌名: Proceedings of Science 巻: Panic2021 ページ: 320-320
  • DOI: 10.22323/1.380.0320
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 宇宙における光子渦の生成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 早川岳人、丸山智幸
  • 雑誌名: フォトニクスニュース 巻: 8 ページ: 1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutrino and Antineutrino pair-Emission in Strong Magnetic Field in Relativistic Quantum Approach (2022)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Balantekin A. Baha、Cheoun Myung-Ki、Kajino Toshitaka、Mathews Grand J.
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 260 ページ: 11029-11029
  • DOI: 10.1051/epjconf/202226011029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A relativistic quantum approach to neutrino and antineutrino emission via the direct Urca process in strongly magnetized neutron-star matter (2022)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Balantekin A. Baha、Cheoun Myung-Ki、Kajino Toshitaka、Kusakabe Motohiko、Mathews Grant J.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 824 ページ: 136813-136813
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136813
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of photon vortex by synchrotron radiation from electrons in Landau states under astrophysical magnetic fields (2022)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Kajino Toshitaka、Cheoun Myung-Ki
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 826 ページ: 136779-136779
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136779
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamical screening effects on big bang nucleosynthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Hwang Eunseok、Jang Dukjae、Park Kiwan、Kusakabe Motohiko、Kajino Toshitaka、Balantekin A. Baha、Maruyama Tomoyuki、Ryu Chang-Mo、Cheoun Myung-Ki
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 号: 11 ページ: 017-017
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/11/017
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] νν￣-Pair synchrotron emission in neutron-star matter based on a relativistic quantum approach (2020)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Balantekin A. Baha、Cheoun Myung-Ki、Kajino Toshitaka、Mathews Grant J.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 805 ページ: 135413-135413
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135413
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Momentum-dependent potential and collective flows within the relativistic quantum molecular dynamics approach based on relativistic mean-field theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Nara Yasushi、Maruyama Tomoyuki、Stoecker Horst
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 102 号: 2 ページ: 024913-024913
  • DOI: 10.1103/physrevc.102.024913
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Search for η′ Bound Nuclei in the C12(γ,p) Reaction with Simultaneous Detection of Decay Products (2020)
  • 著者名/発表者名: N.Tomida, N.Muramatsu, M.Niiyama, J.K.Ahn, W.C.Chang, J.Y.Chen, M.L.Chu, S.Date, T.Gogami, H.Goto, H.Hamano, T.Hashimoto, Q.H.He, K.Hicks, T.Hiraiwa, Y.Honda, T.Hotta, H.Ikuno, Y.Inoue, T.Ishikawa, I.Jaegle, J.M.Jo, Y.Kasamatsu, H.Katsuragawa, S.Kido, Y.Kon, T.Maruyama, (全63名）
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 20 ページ: 202501-202501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.202501
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Decomposition of nuclear symmetry energy based on Lorentz-covariant nucleon self-energies in relativistic Hartree-Fock approximation (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Miyatsu, Myung Ki Cheoun, Chikako Ishizuka, K. S. Kim, Tomoyuki Maruyama, Koichi Saito
  • 雑誌名: Physics Letters, Section B: Nuclear, Elementary Particle and High-Energy Physics 巻: 803 ページ: 135282-135282
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135282
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spontaneous Spin Polarization of Quark Matter due to Tensor Selfenergies in NJL model (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama and Toshitaka Tatsumi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1643 ページ: 012013-012013
• [雑誌論文] Effect of Fock terms on nuclear symmetry energy based on Lorentz-covariant decomposition of nucleon self-energies (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Miyatsu, Myung-Ki Cheoun, Chikako Ishizuka, K.S.Kim, Tomoyuki Maruyama and Koichi Saito
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1643 ページ: 012015-012015
• [雑誌論文] Spin Polarization Phases in Quark Matter: Interplay between Axial-vector and Tensor Mean-Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Nakano Eiji、Yanase Kota、Yoshinaga Naotaka
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 26
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.031023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spontaneous Spin Polarization due to Tensor Selfenergies in Quark Matter in NJL Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Tatsumi Toshitaka
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 26
  • DOI: 10.7566/jpscp.26.024020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Compton Scattering of Hermite Gaussian Wave γ Ray (2019)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Kajino Toshitaka
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 7998-7998
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44120-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 実験室での電子シンクロトロン放射による光渦生成の量子論の枠組みでの理論研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, 早川岳人, 羽島良一, 梶野敏隆, 千明起
  • 学会等名: 第４回光渦研究会
• [学会発表] Photon Vortex Production fin Relativistic Quantum Approach (2024)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: The 72nd OMEG-SSANP Wrokshop
• [学会発表] 非線形コンプトン散乱でのガンマ線エネルギー領域での光子渦生成の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: 京都ミーティングW
• [学会発表] Photon Vortex Production in Astronomical System with Strong Magnetic Field (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: “Origin of Elements and Cosmic Evolution: From Big-Bang to Supernovae and Mergers” (OECE2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Photon Vortex Production from Synchrotron Radiation in Relativistic Quantum Approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: Nuclear Photonics 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photon Vortex Production from Synchrotron Radiation in Relativistic Quantum Approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: The 79th Fujihara Seminar: Prospects for High Field Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photon Vortex Generation from Synchrotron Radiation of Electron in Relativistic Quantum Approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: 31st annual International Laser Physics Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 相対論量子論の枠組みでの非線形コンプトン散乱によるガンマ線渦生成の理論研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸，早川岳人
  • 学会等名: 日本物理学会2023年 春季大会
• [学会発表] Analysis of Final State interaction in Eta-Prime Production experiments using the QMD approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: RCNP workshop on Hadron Physics at the LEPS2 photon beam line
  • 招待講演
• [学会発表] 非線形コンプトン散乱によるガンマ線渦生成の理論予想 (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: 京都ミーティング
• [学会発表] 強磁場中での電磁相互作用遮蔽効果の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, 梶野敏隆, 日下部元彦, Eunseok Hwang, Kiwan Park, Kyujin Kwak, Myung-Ki Cheoun, Dukjae Jang, Youngshin Kwon, A.Baha Balantekin
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] Cooling Processes of Neutron-Stars with Strong Magnetic Field in a Relativistic Quantum Approaches: Neutrino Anti-neutrino Pair Emission and Direct Urca Processes (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama, A. Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino, Motohiko Kusakabe
  • 学会等名: The 16th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
• [学会発表] Generation of Photon Vortex by Synchrotron Radiation in Astrophysical Magnetic Fields (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama, Takehito Hayakawa, Toshitaka Kajino, Myong-ki Cheoun
  • 学会等名: The 16th International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
• [学会発表] Neutrino Emission during Cooling Process of Neutron-star with Strong Magnetic Field (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: RCNP研究会「低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で読み解く中性子星」
• [学会発表] 非線形コンプトン散乱による光子渦放出の相対論的量子力学の枠組みによる理論研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, 早川岳人
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年 春季大会
• [学会発表] 強磁場中性子星物質でのシンクロトロン放射によるガンマ線渦放出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: 京都ミーティング
• [学会発表] 強磁場中性子星物質でのDirect Urca 過程によるニュートリノ放出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: 京都ミーティング
• [学会発表] 相対論的量子論の枠組みでの強磁場天体系からのガンマ線渦放出の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: QST高崎サイエンスフェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子星物質での直接過程(DU)における強磁場効果に対する相対論的量子力学の枠組みでの研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, A.Baha Balantekin, 千明起, 梶野敏隆, 日下部元彦, Grant J. Mathews
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Neutron Star Cooling on Strong Magnetic Field : Neutrino -Antineutrino Pair Emission and Direct Urca Processes (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama, A. Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino, Grand J. Mathews
  • 学会等名: 22nd Particles and Nuclei International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Neutrino and Antineutrino pair-Emission in Strong Magnetic Field in Relativistic Quantum Approach (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama, A.Baha Balantekin, Myung-Ki Cheoun, Toshitaka Kajino and Grand J. Mathews
  • 学会等名: The 16th International Symposium on Nuclei in the Cosmos (NIC16th)
  • 国際学会
• [学会発表] Physics on Gamma-ray Vortex: Generation in Strong Magnetic Field and Identification in Experiments (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: 3rd International Conference on Nuclear Photonics (NP2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 非線形コンプトン散乱による光子渦放出の量子力学的アプローチによる理論研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, 早川岳人
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 運動量依存ポテンシャルを取り入れた相対論的平均場量子分子動力学(RQMD.RMF)による集団フローの解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奈良寧, 丸山智幸, Horst Stoecker
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年 秋季大会
• [学会発表] 中性子星の直接過程(DU)における強磁場効果に対する相対論的量子力学の枠組みでの研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, 梶野敏隆, 千明起, A. Baha Balantekin, Grant J. Mathews
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年 秋季大会
• [学会発表] DIRECT URCA過程による 強磁場中性子星物質の冷却についての 相対論的量子論アプローチによる研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸、梶野敏貴、千明起
  • 学会等名: 日本物理学会 2020春季大会
• [学会発表] Gamma-Vortex Generation in Synchrotorn Radiation based on Relativistic Quantum Framework (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: REIMEI Workshop on "Universal Features of Quantum Flows with Spin, Orbital and Tensor Correlation
  • 国際学会
• [学会発表] Gamma-vortex Generation through Synchrotron Radiation in Strong Magnetic fields in Relativistic Quantum Approach (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: Quarks and Compact Stars 2019
  • 国際学会
• [学会発表] コンプトン散乱によるHGガンマ線の同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸, 早川岳人, 梶野敏貴
  • 学会等名: 日本物理学会 2019秋季大会
• [学会発表] Photo Reaction with Gamma-Ray Vorticies: Compton Scattering and Emission (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama
  • 学会等名: Challenges in Direct Nuclear Reactions
  • 国際学会
• [学会発表] Spin Polarization due to Tensor Fields in NJL Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Maruyama, Toshitaka Tatsumi
  • 学会等名: The 27th International Nuclear Physics Conference (INPC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Identification of gamma-ray vorticies with compton scattering (2019)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Tomoyuki、Hayakawa Takehito、Kajino Toshitaka
  • 学会等名: he 27th International Nuclear Physics Conference (INPC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 中性子星における強磁場の役割と現象への影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 丸山智幸
  • 学会等名: 高塚さんを偲ぶ研究会 －高密度ハドロン・クォーク物質の諸相と中性子星の構造・進化ー
  • 招待講演
• [備考] 丸山 智幸 ホームページ
  • URL: https://hp.brs.nihon-u.ac.jp/~tomo/index.html
• [備考] 丸山智幸 ホームページ 研究のページ
  • URL: https://hp.brs.nihon-u.ac.jp/~tomo/kenkyuu/tomo.htm