研究テーマ (Research Subjects)
原子核多体問題 (Nuclear Many-Body Problems)
原子核を束縛する強い相互作用の基礎理論は、クォークとグルオンを基本自由度とする量子色力学（QCD）です。しかしQCDの持つ閉じ込めの性質のため、原子核を構成する陽子や中性子は原子核中でもあまり性質が変わらないことが知られています。このため、原子核を理解する上で、陽子と中性子を基本自由度とする記述が有効です。本研究室では、量子多体理論と計算科学的なアプローチを用いて、次のような原子核物理のフロンティアに関わる研究を進めています。
The fundamental theory for the strong interaction to form nuclei is the quantum chromodynamics (QCD) with quarks and gluons as fundamental degrees of freedom. Nevertheless, due to the confinement property of the QCD, nucleons (protons and neutrons) inside the nucleus keep their identities even inside the nucleus. Thus, we may effectively treat the nucleons/baryons as the fundamental degrees of freedom. In our group, using the quantum many-particle theories and methods of computational science, we are performing the following frontier researches in nuclear physics.
不安定核の物理 (Physics of unstable nuclei)
自然界に安定に存在する原子核は、軽い原子核では陽子数と中性子数がほぼ等しく、重い原子核では中性子数が陽子数の約1.5倍となる、いわゆるハイゼンベルグの谷に沿って存在します。最近実験的に陽子数と中性子数が著しく異なる原子核を作ることができるようになり、それらが安定な原子核とは大きく異なる性質を示すことが明らかになり、多くの関心を呼んでいます。この分野の研究は日本のグループが中心的役割を果たしており、国際的に研究を主導しています。
Nuclei in nature have roughly equal numbers of protons and neutrons. In very heavy nuclei, the number of neutrons could be about 1.5 times more than that of protons. These stable nuclei form the “Heisenberg’s valley”. Recent experimental technologies enable us to create nuclei with very different numbers of protons and neutrons. In many respects, their properties are different from stable nuclei and currently of great interest in the world. This field in experimental nuclear physics is under progress by Japanese groups with strong international leadership.
元素の起源と宇宙核物理 (Origin of elements and nuclear astrophysics)
地球上の原子核は原子番号92番のウランが最大ですが、宇宙に目を向けると中性子星は巨大な原子核と見ることができる天体です。原子核の生成や崩壊は、核融合や核分裂など極めて大きなエネルギーを伴うため、自然界では宇宙の中のさまざまな事象（宇宙初期のビッグバン、星の内部での核融合、超新星爆発など）でのみ起こります。超新星爆発や中性子星合体などにおける元素合成は、中性子が過剰な原子核を経由して進むため、元素の起源を巡る研究は不安定原子核の研究と極めて密接に関わっています。
On the Earth, the largest nucleus is the one of Uranium (atomic number 92). In the universe, the neutron stars can be regarded as a gigantic nucleus. Since the synthesis of nuclei involves large amount of energy in fusion and fission processes, it is possible only in special place/time in the universe, such as the Big Bang in the early universe, the interior of stars, and supernovae. The element synthesis in supernovae and neutron-star mergers goes through neutron-rich nuclei, thus, closely related to researches in unstable nuclei.
中性子星の構造 (Structure of neutron stars)
中性子星は、パルサーとして超新星爆発の残骸の中に見つけることができ、巨大な星の爆発後の変わり果てた姿と考えられています。巨視的な原子核である中性子星は、その発見後すぐに原子核物理学の研究対象として注目を浴びました。特に、表面に近い殻（クラスト）領域に発現すると考えられている原子核の結晶構造や核子超流動の性質は、現在も多くの研究者が取り組んでいる課題です。観測でも、グリッチと呼ばれる回転数の急激な上昇が見られたり、様々な振動モード、ごく最近では中性子星の合体からの重力波観測が大きな話題になっています。これらの天体観測の発展は、原子核物理学にも大きな影響を与えており、原子核物理学が果たす役割を増大させています。
Neutron stars can be found as a pulsar after the supernovae, a remnant of giant stars after explosion. Immediately after the discovery of neutron stars, nuclear physicists started to study this macroscopic nucleus as a new form of nuclear matter. Especially, many researchers currently study the crystal structure and nuclear superfluidity in the crust region near the surface of neutron stars. Many phenomena, such as pulsar glitches and oscillation modes, have been observed, and very recently, the gravitational wave from the neutron-star-merger event was observed. These developments in astronomy have great impact on nuclear physics and increase the importance of nuclear physics.
原子核集団運動の非線型動力学 (Non-linear dynamics of nuclear collective motion)
多数の核子が同時に動き原子核が全体として行う運動は集団運動と呼ばれています。原子核の集団運動の代表としては、表面の形が時間的に変化する振動運動と、核が全体として回転する回転運動とがあり、さらに大きな形の変化を伴う運動として原子核どうしの”核融合”やひとつの原子核が二つに分かれる”核分裂”もあります。このような原子核全体としての運動を、一つ一つの核子の自由度から記述し理解することは、チャレンジングな課題です。原子核集団運動がどのように発生するか、その運動の様子が変化していくのはどのような力学によるのか、そして集団運動が減衰するメカニズムはどのようなものかを知ることを課題とし、時間依存平均場理論に基づく研究を進めています。
Coherent motion of many nucleons as a whole nucleus is called “collective motion”. Typical collective motions in nuclei are the oscillation in which nuclear surface changes its shape in time, and the rotation of the whole nucleus. In addition, there are collective motions involving large amplitude shape changes, such as nuclear fusion and fission. To understand such collective motion in nuclei in terms of individual nucleonic degrees of freedom is a challenging subject. We perform researches based on the time-dependent mean-field theories, to study origin, microscopic dynamics, and damping mechanism of nuclear collective motion.
量子多体系の計算科学 (Computational quantum many-body systems)
原子核を含む様々な物質科学分野で、計算機を用いて物質の性質を非経験的に記述する試みが進んでいます。原子核の場合は、陽子と中性子の数だけを入力パラメータとして、原子核の性質（基底状態のエネルギーや原子核の形、密度分布、原子核の振動や回転運動、さまざまな相関をもつ励起構造など）をどれだけ定量的に記述できるかが問題です。原子核は、陽子と中性子が数個から数百個集まった量子系で、有限量子多体系の典型です。自然界に目を向けると、原子や分子も有限量子系です。理論の立場からは、有限個の量子系に共通するさまざまな現象を探ることは興味深い課題です。最近話題のナノサイエンスでは、原子や電子１個ずつをコントロールすることができるようになりました。原子を数十個、数百個集めた物質はクラスターと呼ばれますが、原子核とそっくりな性質を示すことが知られています。このような原子核・原子分子物理、物性科学、理論化学の境界領域に新しい分野が拓けています。
In the fields of material science including nuclei, non-empirical description of material properties is under progress using (super)computers. In the case of nuclei, the problem is how we produce various nuclear properties, such as energy, nuclear shapes, density distribution, oscillatory/rotational motions, and excitation structure with various correlations, from proton and neutron numbers as the only input. The nucleus that consists of a few to hundreds of nucleons is a typical example of finite quantum many-body systems. Atoms and molecules are also finite quantum systems. It is theoretically interesting to study common phenomena in such finite quantum systems. In the nano-science, we are able to control atoms and electrons one by one. A system with tens or hundreds of atoms is called “cluster” and known to show properties very similar to nuclei. In such interdisciplinary regions of nuclear/atomic/molecular/solid-state physics and chemistry, we see an opening of new fields.
量子ダイナミクスの計算科学 (Computational science of quantum dynamics)
ここからは、大きさや時間のスケール、相互作用が異なる物質科学の世界です。原子核の大きさはフェムトメートル(10-15m)、原子の大きさはナノメートル（10-9m）。原子核の時間スケールは10-23秒、原子中の電子の運動の時間スケールはアト秒（10-18秒）、原子核を支配する相互作用は強い相互作用、物質の世界はクーロン相互作用。このように、なにもかもが異なる世界ですが、原子核と物質科学は、ともに凝縮したフェルミ粒子（原子核中の陽子と中性子、物質中の電子）を扱う量子多体論である点で共通しています。このために、類似した現象が見出され共通の概念が有効になり、２つの物質相を記述する共通の理論が有効になるのです。私たちの研究室では、時間依存密度汎関数理論という理論に基づき、原子核と物質科学の２つの分野で、「多フェルミオン系ダイナミクスの量子シミュレーション」という分野を創出するべく研究を進めています。
The size and time scales of the material science are completely different from nuclear scales. The nuclear size is femtometer (10-15 m), while the atomic size is nanometer (10-9 m). The nuclear time scale is 10-23 s, while that of electronic motion in atoms is attosecond (10-18 s). Nuclei are bound by the strong interaction, while the materials are controlled by the Coulomb interaction. However, since both nuclei and materials require theories of many degenerate fermions (nucleons and electrons), we may find many common phenomena and useful concepts in such completely different phases of matter. We are pursuing researches in both nuclear and material sciences, aiming at creating a new field of quantum simulation of many-fermion dynamics.
時間依存密度汎関数理論 (Time-dependent density-functional theory)
フェルミ粒子多体系の量子ダイナミクスを記述する基礎となるのが、時間依存密度汎関数法と呼ばれる理論です。この理論は原子核物理学の分野で長い歴史があり、原子核どうしの衝突過程のシミュレーションなどに用いられてきました。その枠組みを、物質科学分野の電子ダイナミクスに対して世界で初めて応用したのが私たちの研究グループです。この理論の基礎方程式は、時間依存コーン・シャム方程式と呼ばれますが、我々のグループではこの方程式を、実時間・実空間で忠実に解く方法を発展させ、様々な応用を行っています。これまで、分子や原子クラスターの光応答、イオンと物質の衝突現象、固体の誘電関数などを調べてきました。現在は次に述べるレーザーと物質の相互作用が主なターゲットとして研究を進めています。
A basic theory to describe quantum dynamics of many fermion systems is the time-dependent density-functional theory. The theory has a long history in nuclear physics and has been applied to simulation of nucleus-nucleus collision. We are the first group in the world to apply the same framework to studies of electronic dynamics in material science. The basic equation of the theory is called “Kohn-Sham equation” which we have developed a method to rigorously solve in real space and real time. So far, we have studied photoresponse in molecules and clusters, ion-matter collisions, dielectric functions of solids, etc. Currently, our study is mainly focused on the interaction between matter and laser (see next).
高強度・超短パルスレーザーと物質の相互作用 (Interaction between matter and intensive short pulse laser)
レーザーは位相の揃った光です。レーザー技術の発展はめざましく、より強い光、より時間の短い光を用いた研究が、分光学のフロンティアとなっています。物質と光の相互作用の第一ステップは、光電場と電子の相互作用です。ふつうの光と物質の相互作用は、量子力学の摂動論を用いて記述することができますが、光電場が物質中の電子を束縛する場と同程度の強さとなる強度に達すると、トンネルイオン化現象や高次高調波発生、クーロン爆発など、様々な興味深い非線形・非摂動現象が現れます。また、非常に短いパルスの光を用いて、物質を構成するイオンの運動、さらには電子の運動を、実時間で計測することが可能になっています。このようなレーザー科学の分野で、我々のグループは電子ダイナミクスに対する第一原理的な量子シミュレーションによる研究を進めています。
Laser is a light of phase coherence. The laser technology has been extensively developed, to open new spectroscopic researches using more intensive and shorter pulsing lights. The first step of interaction between material and light is between electrons and electric fields of light. Usually, the interaction between light and material is treated by using the perturbation theory of quantum mechanics. However, when the strength of the electric field is as comparable as the one binding electrons in the matter, a variety of non-linear phenomena occur, such as tunneling ionization, high harmonic generation, and Coulomb explosion. Furthermore, we may observe ionic and electronic motion in real time, using the ultra-short pulse laser. We study such laser science with the first-principle quantum simulation of electronic dynamics.
大規模数値計算 (Large-scale numerical calculation)
計算機技術の発展は今も目覚ましいものがあります。最近は超並列計算機により、年ごとに新たなスケールの大規模な計算が可能になっています。私たちのグループの教員は、筑波大学計算科学研究センターに所属しており、そこで保有する超並列計算機を用いて大規模な量子ダイナミクスのシミュレーションを行っています。広大な空間を分割し異なるＣＰＵに分担させる超並列計算コードや、光電磁場と電子ダイナミクスを同時に記述するマルチスケール・シミュレータの開発を行っています。また中性子星を含む様々な原子核の相に対して、空間分割を用いた並列計算コードや実時間計算コードなどを開発しています。
In recent years, computer technologies have been in significant progress. Every year, a new scale of calculation is enabled by massively parallelized computation. Faculty staff members in our group belong to Center for Computational Sciences, University of Tsukuba which operates massively parallel computers, and we use them to perform large-scale simulation of quantum dynamics. We are developing a parallel computing program using the space division, and a multi-scale simulator to simultaneously describe electric fields and electronic dynamics. For various nuclear phases including neutron stars, we are also developing parallel codes using the space division and a real-time simulator.