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2017 年度 実績報告書

QED効果を考慮した高精度電子状態理論の開発-新規素粒子理論構築を目指して-

研究課題

研究課題/領域番号 17J02767
研究機関首都大学東京

研究代表者

砂賀 彩光  首都大学東京, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
キーワード電子EDM / 相対論的量子化学 / CP対称性の破れ / 標準模型をを超える素粒子物理 / QED効果 / 時間反転対称性の破れ / 理論化学 / 電子状態
研究実績の概要

電子の電気双極子モーメント(電子EDM)、スカラー-擬スカラー(S-PS)相互作用はCharge-Parity(CP)対称性が破れている物理現象であり、これらを発見することは、新規素粒子理論を構築するために重要である。電子EDM及びS-PS相互作用定数を決定するためには、常磁性系の物性である有効電場(Eeff)、S-PS係数(Ws)を高精度に求める必要がある。Eeff, Wsは相対論的理論計算のみで求められる。本研究課題では、(1) Eeff, Wsを高精度で求める計算手法を開発し、(2)電子EDM、S-PS相互作用を発見するための実験に適する分子を提案することを目的とした。該当年度では、(1)の基盤作成を行い、(2)では原子と分子のEeff, Wsの増加機構の違いを明らかにし、新規実験対象分子を提案した。
(1)波動関数の精度検証を行うために必要な超微細結合定数(HFCC)を、4成分相対論の枠組みで定式化した。また、HFCCの相対論効果を解析し、HFCCの相対論効果が1s軌道より外殻軌道(2s,3s,4s,…軌道)で増加する現象を、Dirac方程式の厳密解を用いて説明した。この現象が多電子系でも成り立つことを、4成分密度汎関数法を用いて示した。
(2-1)原子では2族系は12族系より大きいEeff, Wsを持つが、分子系では12族系は2族系より大きい値を持つことを発見した。その理由を、価電子s軌道とp軌道の混成の観点から説明した。
(2-2)実験対象分子としてSrF, CdFを提案し、現在論文を投稿中である。これらの分子は現在の実験対象分子より小さなWs/Eeff比を持つため、電子EDM及びS-PS相互作用定数を決定するために重要な役割を果たす。
次年度以降では、(1)ではQED補正項の実装を行い、(2)ではEeff, Ws, Ws/Eeff比のより詳細な解析を進める。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究計画の段階では、該当年度は重原子-重原子分子のEeff, Wsの解析を予定していた。しかし実際の研究では、軽い分子のWs/Eeff比が重原子分子より小さいことを世界で初めて見出し、SrF, CdF分子の提案を行った。現時点での実験が行われている分子は、YbF, HfF+, ThOの3種類であり、全て研究原子番号70以上の重元素を含む。本研究で初めて、実験における軽い分子の適正を見出した。軽い分子は計算コストが低いため、より高次の電子相関効果や相対論効果を取り込むことができ、結果としてより高精度な計算が可能になる。本研究により、新規素粒子理論を構築するための、実験分子の探索に重要な知見を得た。
電子EDMの分野では、長きにわたり(a)電場中に置かれた重原子と(b)重原子-軽原子型の極性分子は、ほぼ同じものとして捉えられており、(a)及び(b)におけるEeff, Wsの増加機構の違いは注目されていなかった。しかし本研究では、価電子s軌道とp軌道の混成機構に着目することで、(a)と(b)では、Eeffや Wsの増加機構が異なることを明らかにした。これにより、実験に適する系を探索するための重要な知見を得ることができた。

今後の研究の推進方策

上記の目的(2)については、上記の通り有用な結果が得られたため、次年度以降は主に(1)について取り組む。4成分相対論的電子相関法に、量子電磁力学(QED)の補正項を取り込む手法を開発する。プログラムは、相対論計算専用プログラムであるDIRACを使用する。具体的には、QED補正項の一つである自己エネルギー項をDIRACに実装する。自己エネルギー項の表式は、量子化学計算で使用される擬ポテンシャルの表式と似ている。本研究の研究目的はQED効果を考慮した相対論的分子計算手法を確立することであるが、開発したプログラムの動作確認に有用であるため、原子の対称性をDIRACに実装することも行う。次年度は、DIRACの主要な開発者の一人であるTrond Saue教授(フランス)の研究室に滞在して研究活動を行う。
(2)については、重原子-重原子分子におけるEeff, Wsの増加機構、及びWs/Eeff比の解析を進める。重原子-重原子分子は、軌道相互作用の観点から解析を行う。Ws/Eeff比の解析は、Flambaum, Bouchiatらが導出したEeff, Wsの解析式を用いて解析を行い、Ws/Eeff比に寄与する項の物理的意味を明らかにする。

備考

日本学術振興会 若手研究者海外挑戦プログラムに採択されたので、次年度は、研究拠点をフランスに移して研究活動を行う。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] Paul Sabatier University(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Paul Sabatier University
  • [雑誌論文] 4成分相対論における超微細結合定数の定式化に関する考察2017

    • 著者名/発表者名
      砂賀 彩光,阿部 穣里,波田 雅彦
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry, Japan

      巻: 16 ページ: 81-82

    • DOI

      doi.org/10.2477/jccj.2017-0034

    • 査読あり
  • [学会発表] Analysis of enhancement factors of electron EDM and scalar-pseudoscalar interaction for atoms and molecules2018

    • 著者名/発表者名
      Ayaki Sunaga, Minori Abe, Bhanu Pratap Das and Masahiko Hada
    • 学会等名
      10th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] 4 成分相対論にも適用可能な超微細結合定数の演算子に関する検討2017

    • 著者名/発表者名
      砂賀彩光,阿部穣里,波田雅彦
    • 学会等名
      第20回 理論化学討論会
  • [学会発表] 4成分相対論における超微細結合定数の定式化に関する考察2017

    • 著者名/発表者名
      砂賀彩光,阿部穣里,波田雅彦
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2017春季年会
  • [学会発表] Analysis of hyperfine structure in Dirac theory: anomalous increase of relativistic contraction of outer orbitals2017

    • 著者名/発表者名
      Ayaki Sunaga, Minori Abe and Masahiko Hada
    • 学会等名
      11th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists
    • 国際学会
  • [学会発表] Anomalous increase of relativistic effect for hyperfine coupling constant of outer orbitals2017

    • 著者名/発表者名
      Ayaki Sunaga, Minori Abe and Masahiko Hada
    • 学会等名
      12th International Conference on Relativistic Effects in Heavy-Element Chemistry and Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Dirac理論に基づく超微細結合定数の解析-外殻軌道における相対論効果の増幅現象-2017

    • 著者名/発表者名
      砂賀彩光,阿部穣里,波田 雅彦
    • 学会等名
      第11回 分子科学討論会
  • [学会発表] Analysis of Effective Electric Fields of Heavy Molecules for Electron Electric-Dipole-Moment Searches2017

    • 著者名/発表者名
      Ayaki Sunaga, Minori Abe, Bhanu Pratap Das and Masahiko Hada
    • 学会等名
      Theoretical Design of Materials with Innovative Functions Based on Element Strategy and Relativistic Electronic Theory
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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