| 研究領域 | 実験と観測で解き明かす中性子星の核物質 |
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| 研究課題/領域番号 |
24105006
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
堀越 宗一 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00581787)
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| 研究分担者 |
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, 情報理工学(系)研究科, 准教授 (70376490)
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| 研究期間 (年度) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
強相関フェルミ粒子系の状態方程式を決定するには、トラップに捕獲されている原子の密度と温度を高精度に評価する必要がある。①マルチモードレーザーを用いた高安定光トラップ、②ボース・フェルミ混合超流動状態の実現、③トラップ中の原子数の絶対数評価が達成され、状態方程式の決定へ向け大きく進展した。それぞれの具体的な進展を以下に示す。
①産業用の高出力マルチモードレーザーを用いた冷却原子の捕獲実験には、捕獲原子の動的不安定性がこれまで解決されていない問題であった。我々は様々な調査を行った結果、端面反射等による定在波発生と空気の流れによる屈折率変化が主な原因だという事を突き止めた。光学部品への垂直入射を避け、光路の空気の揺らぎを抑える事で解決した。
②我々の研究ではフェルミオンが6Li、温度計原子がボソンの7Liである。フェルミオンはクーバー対を形成し超流動状態を実現し、ボソンはボース凝縮を相転移温度以下で実現するのは知られているが、その混合状態が安定に存在するかは自明ではない。我々は6Liと7Liの混合系を適切な蒸発冷却によって冷却する事により、両者が同時に凝縮状態にある混合超流動状態を実現した。本業績は本研究の目的とは直接関係しないが、新しい量子多体系の実現としては期待以上の成果である。今後物性研究に大きく貢献する事が期待される。
③状態方程式決定で最も重要な測定量が粒子数と温度である。トラップ中に存在する極低温6Li原子の撮影には、ⅰ.軽い質量による大きな反跳ドップラーシフトとランダムウォーク、ⅱ.高倍率によるCCD素子上での光子数減少、ⅲ.高い光学密度、ⅳ.非調和ポテンシャル、の四つの問題が存在する。局所的な熱力学量を高いS/Nで得るため、撮影条件の最適化と飽和強度、吸収断面積の定量評価を行った。これによりトラップ中の局所的な密度、圧力、化学ポテンシャルの定量評価が可能になった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
超流動状態にある極低温な強相関フェルミ粒子系を安定なトラップ中に実現し、その密度分布の定量評価が可能になった。平成２６年度は技術的に難しいこれらの条件を達成でき、本研究課題を推進する上で重要な年度となった。特に全光学的手法で混合超流動を実現する我々の技術は、実験システムの省エネ化、簡易化と高速化を全て向上させた。原子数の定量評価も可能になり、ゼロ温度極限での状態方程式決定と、それを用いた希薄中性子物質の状態方程式の構築準備が整った。有限温度に対しては、温度計原子に未解決な問題があるので早急な解決を目指している。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成２７年度は、①希薄中性子物質の状態方程式の構築、②有限温度領域を含めたBCS-BECクロスオーバー全域の状態方程式の決定を目指す。
①速やかにBCS-BECクロスオーバー領域のゼロ温度極限でデータ収集を行い、状態方程式を決定する。冷却原子の実験データを元に、核物質である希薄中性子物質の状態方程式の構築を行い、原子核理論との比較を行う。また、中性子のみから成る中性子星があるとしたらどのような半径－質量曲線になるかTOV方程式により求め、中性子星状態方程式の上限値を与える。
②有限温度の領域は、強相関フェルミ粒子系の温度の定量評価が要求される。粒子間の散乱長が発散しているユニタリー極限では、温度計原子を用いることなくフェルミ粒子系の温度を評価できるため、温度計原子が示す温度の妥当性を評価する事が可能である。これまで温度計原子による温度の妥当性の評価を進めているが、極低温で温度計原子とフェルミ粒子系の温度に差が生じている。この差が何らかの物理に起因するのか、技術的な差なのかを追及し、さらにユニタリー極限以外でもフェルミ粒子系単体で温度評価できないか模索する。有限温度系は超流動転移温度の温度依存や臨界現象など、魅力的な物理に溢れている。そのためには定量的な温度評価が必須なため、慎重に進めて行く。
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