| 研究課題/領域番号 |
17K05592
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
木野 康志 東北大学, 理学研究科, 准教授 (00272005)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 反水素 / 少数多体系 / 反陽子 / 陽電子 / エキゾチック原子 / 共鳴状態 / 原子衝突 |
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| 研究実績の概要 |
水素原子の反物質である反水素原子（陽電子と反陽子の束縛状態）を用いて、反水素原子の精密分光実験が進められ、標準理論（CPT 対称性）の検証、弱い等価原理を検証する自由落下実験の準備も進められている。これらの実験のあらゆる場面において、反水素原子の超低速の原子衝突の理論計算は最も必要とされている。また、反水素原子と通常の原子・分子との衝突は、原子物理学や量子化学からも新奇な現象の発現が期待され興味深い。
本研究では、反水素と水素原子の衝突という最も基礎的な反物質と物質の衝突過程を取り扱う。この衝突では、プロトニウムと陽電子とポジトロニウムを生成する組替え反応が起こる点が従来の原子衝突と大きく異なる。特に、反陽子・陽子間の運動と陽電子や電子の運動を分離する断熱近似は破綻するが、従来の計算では断熱近似が用いられ、有効性が問題となっていた。
今年度は昨年度に引き続き、反水素と水素原子の衝突における共鳴状態（準安定状態）についての計算と機能の分析を行なった。高精度の計算により、反水素原子と水素原子の基底状態に解離するしきい値の下に共鳴状態を見いだすことができた。相関関数を用いた構造の分析により、この共鳴状態が分子的な共鳴構造を有していることが見出された。陽子・反陽子間の光学ポテシャルを用いて共鳴状態を再計算すると，共鳴エネルギーが核力の影響を受けてシフトすることが明らかになった．
次に、現在計画中の超低速反水素原子を用いた物質・反物質間重力の測定において、能動的に減速（冷却）できる反水素イオンの生成過程の候補として期待されている反水素原子とポジトロニウムの散乱の計算を行なった。 本年度、昨年度までに開発したコードを拡張し、S波散乱について非弾性過程を取り入れた計算コードを完成した．また、本研究で開発した４体系の計算手法を、他のエキゾチック原子分子系（ミュオン、陽電子）にも応用した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
これまで、反水素原子と水素原子が分子状態（反水素化水素分子）を形成する可能性が指摘されていたが、詳細は不明であった。反水素原子と水素原子の中の反陽子と陽子同士は引力で、接近するとより強い引力を感じる。またそれぞれ電荷が反対符号のため、反陽子と陽子の距離が十分に小さくなると、双極子モーメントが弱まり、電子や陽電子を束縛できなくなる。このメカニズムのために、核の運動と軽い粒子の運動を分離して解く従来の断熱近似が適用できなかったため、分子状態についての理論研究が進まなかった。本研究では、昨年度から粒子質量に依存する仮定を用いずに反水素化・水素分子を非断熱に計算するコードの開発を進めてきた。本年度は、分子型の粒子配置と解離型の粒子配置の双方において高次の多体効果を取り込めるように拡張した。これにより，分子型配置における主要な角度相関と解離過程の主要な系列について。計算に取り込む状態数に対して計算結果の収束性を確認できるようになった．これによって、共鳴状態の存在を確定し、その性質を詳しく分析することができる様になった。反水素と水素原子の衝突における共鳴状態の他に、反水素とポジトロニウムの散乱過程の計算も緒につけることができた。
以上の成果に対して、指導する学生が、第55回アイソトープ・放射線研究発表会 若手優秀講演賞（山下琢磨）、Tohoku University's Chemistry Summer School 2018 Poster award（新山元彬）、日本物理学会2018年秋季大会 学生優秀発表賞受賞（新山元彬）、東北大学大学院理学研究科化学専攻長賞（山下琢磨）を受章した。計算化学の国際会議(ICCMSE2019)の招待講演に選出された。
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| 今後の研究の推進方策 |
緊急性の高い直近の課題として、実験グループからの関心を多く集めている反水素とポジトロニウムの非弾性衝突による反水素正イオン（反水素と陽電子の三体束縛状態）生成断面積の計算を引き続き行う。次年度は、散乱の角運動量をS波だけでなく、一般の角運動量にも対応できるように計算コードの改良を行う。
この計算の中では、特に断面積が大きくなる共鳴状態の散乱断面積について計算精度について検討を行う。複素座標回転法による独立の計算値と共鳴エネルギー、全エヘルギー幅（崩壊速度）を確認した上で、各崩壊状態への分岐比を求める。また、散乱波動関数を分析し、ポジトロニウム中の陽電子が反水素に移行し反水素正イオンと電子となる過程の機構を明らかにする。
本研究により、4粒子系の低エネルギー領域での散乱問題が厳密に計算できるようになった。従来の３粒子系の散乱問題では取り扱うことができなかった、内部構造をもった系同士の散乱、部分系である３粒子系が共鳴状態をもつ散乱問題などの計算ができるようになった。反水素原子と水素原子、反水素原子とポジトロニウムの計算で得た様々なノウハウを関連するエキゾチック原子分子の反応（例えば、ポジトロニウムと原子の衝突による陽電子原子の生成、ミュオン分子生成、原子核反応の自由度を取り入れることにより、ミュオン分子内核融合におけるミュオン付着（ミュオンが核融合反応後に核融合生成物であるアルファ粒子の原子軌道に捕捉される現象）、ミュオン原子衝突中の核反応など）に応用するとともに、理論計算の精度を向上させる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度（最終年度）は、成果報告のための国際会議が少なくとも３回あり、これの参加費・旅費に充てるため、次年度に繰り越すことにした。
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