反対称化分子動力学法を用いた原子核構造と反応の研究延与佳子（京大基礎物理学研究所）主なプロジェクトメンバー：延与（京大）小野（東北大）古田（東北大） 1. はじめに 2. 反対称化分子動力学法 3. 重イオン反応の研究・核物質の液相気相の共存 4. 軽い安定核・不安定原子核の構造研究 5. まとめ原子核の理論計算に関する研究課題２０００年度２００１年度軽い不安定核構造２００２年度２００３年度２００４年度２００５年度有限レンジ３体力 sdシェル核の変形と分子共鳴状態軽い安定核・不安定核の励起状態重イオン衝突 Ca+Ca, Au+Au 核物質の液相気相の共存中性子過剰核の衝突延与（京大）原子核反応小野（東北大）原子核構造肥山（奈良女子大）ハイパー核構造原子核反応古田（東北大）原子核構造肥山（奈良女子大）根村（理研）、他ストレンジネス原子核に関する研究研究成果２００３年度研究成果の公表口頭研究発表件数８査読つきの学術論文数５プロシーディング論文数３その他（投稿中を含む）１２００４年度研究成果の公表口頭研究発表件数９査読つきの学術論文数５プロシーディング論文数１その他（投稿中を含む）０２００５年度研究成果の公表口頭研究発表件数９査読つきの学術論文数２プロシーディング論文数２その他（投稿中を含む）１ 1. はじめに実験に結びついた理論研究各種実験データ重イオン反応における放出粒子安定核・不安定核のデータインプット再現予言諸問題を解明原子核の本質を理解理論計算ハドロン物質の相図温度ハドロン物質の相図宇宙の初期高エネルギー重イオン反応～200 MeV QGP ハドロンガス核子ガス核物質の膨張 5～8 MeV 中性子星の内部中間エネルギー重イオン反応 r0 液相気相の共存～10r0 通常の原子核・不安定核の構造密度陽子数不安定原子核新しい施設が建設中 RIBF@RIKEN 2007稼動中性子数２種類のフェルミオン＝陽子と中性子の数を変えることができる実験室！陽子数と中性子数に依存して多様な構造が出現 export to astrophysics 星の中での元素合成のinput 核物質の状態方程式原子核の性質原子原子核陽子と中性子の多体系電子陽子中性子核力電子の運動原子核からのクーロン力で束縛核子の運動核子が自己束縛 1.平均場中での独立粒子描像 2.核子相関（核子の離合集散） 3.エネルギーと密度の飽和則少しのエネルギーで核子がバラバラ軌道、殻構造原子核構造の多様性陽子中性子中性子を追加変形構造クラスター構造特に陽子２個と中性子２個で塊（クラスター）を作りやすい 4He（α粒子）＝α-クラスター中性子ハロー structure in light nuclei α α α α クラスターの 3角形構造 α 3-2 in 14C α 12O 13O 14O 15O 16O 17O 18O 19O 20O 21O 22O 11N 12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N 19N 20N 21N クラスター気体 C 0+2 in 12C 8C 9C 10C 11C 12C 13C 14C 15C 16C 17C 18C 19C 20C B 8B 9B 10B 11B 12B 13B 14B 15B 7Be 8Be 9Be 10Be11Be12Be Be Li 6Li 7Li 8Li 9Li He 3He 4He H 1H 2H 6He 17B 19B 14Be 異なる変形の共存 10C, 16C 11Li 8He α α 3H excited states n core core 中性子スキン 8He,C 中性子ハロー 6He,11Li,11Be α α Be isotopes 分子的構造魔法数の敗れ核子多体系の多様な性質クラスター構造と平均場構造エネルギー 8 MeV/u 核子気体：すべての核子がバラバラ 12C 正三角形構造 6個の陽子と 6個の中性子 α α 0.5～1 MeV/u α ３つの α-クラスター α 0 MeV 最低エネルギー状態？ α α α ３αの気体状態： α 液体のような性質数珠構造 α-クラスターがゆる～く相互作用 α 宇宙での元素合成にも重要核構造はシェル模型で終わった？最先端の大次元シェル模型計算 No! P.Navratil et al.,Phys.Rev. C62, 054311 (2000) 12Cの基底状態と励起状態を系統的に再現できる理論計算はない。原子核の性質：核子の離合集散に起因シェル模型計算では記述できない励起状態クラスターと平均場を両方記述する理論的模型時間依存ハートリーフォック分子動力学クラスタークラスター模型 AMD 平均場シェル模型、ハートリーフォック antisymmetrized molecular dynamics 反対称化分子動力学 2. Formulation of AMD AMDによる原子核構造の計算変分法  H  0 モデル波動関数:  有効ハミルトニアン: H eff   ti   vijeff  (phenomenological effective nuclear force(MV1)) proper model space and handy wave fn. i 1 i j i  j k AMD (Z) AMD波動関数 c AMD  c'  'AMD  c' '  ' 'AMD   スレーター行列式 eff v '  ijk  AMD  det1 ,  2 ,  , A 空間部分ガウス波束  Zi 2    ( r )  exp   ( r  )   Ζi j       i  Ζi  i  1     i  i   2 or n　 1     p　 i  2  アイソスピン内部スピン変分パラメータ Z={ Z1, Z2 ,  , Z A , 1,  , A } det AMD 模型空間 det クラスター平均場 det 一般の原子核へ適用可能系統的な研究様々なクラスター的状態シェル模型的状態エネルギー変分エネルギー曲面 dZ 1 E  (   i ) dt i Z  ( Z 0 ) モデル空間 (Z plane) ランダムに選んだ初期状態エネルギー最低状態を得る構造計算におけるパリティ・角運動量の射影 VAP パリティ-（スピン）射影後の変分 J (Z)  PMK PAMD (Z)  H エネルギー  H    0 変分  Z   あるいは変分後の射影、重ね合わせ平均場理論を越えた枠組み励起状態へ適用計算コストの増加原子核の構造理論未知領域の研究（不安定核、励起状態）従来の常識を破る多様な現象模型空間芯の仮定なし角運動量射影や重ね合わせ模型空間の拡張⇒大規模計算模型的仮定を少なくして系統的な研究理論手法 SVMなど GFMC 精密計算ＫＥＫスパコンを利用した collaboration AMD法この６年の進展拡張したHF計算クラスター模型拡張されたシェル模型平均場理論不活性芯ゼロレンジ有効核力有限レンジ量子多体系の近似模型計算現実的核力理論模型を拡張する必要性 Skyrme HF計算 RMF 16 40 200 質量数A AMDによる重イオン反応の計算研究成果 3.重イオン反応・核物質の液相気相の共存重イオン反応・核物質の液相気相の共存中間エネルギーの重イオン衝突 Multi fragmentation 現象重イオン衝突高温膨張液相気相の共存破砕片の観測重イオン衝突を記述する数値シミュレーション TDHF 流体方程式 VUU 目的：分子動力学数 MeV 核融合ＫＥＫスパコンを利用した collaboration 実験データ（放出粒子）から AMD（反対称化） QMD(半古典的）核物質の性質（状態方程式）のカスケード計算情報を引き出す。エネルギー 100 1 MeV 液相気相 GeV ハドロンの共存ガス・粒子生成 AMDを用いた数値シミュレーションによる研究柔らかい状態方程式中性子過剰核の衝突反応から対称エネルギーの情報を得る 60Ca+60Caと 40Ca+40Caを比較核物質の統計的性質仮想的な容器内に閉じ込められた核子多体系の時間発展 4.軽い安定核・不安定原子核の構造研究 4-1. 励起状態におけるクラスター状態 4-2. 不安定核における陽子と中性子の異なる変形 4-3. 質量数～40の領域への挑戦 4-1. 励起状態におけるクラスター状態３体クラスター状態 12C α αα 11C(11B) chain ? A.Tohsaki et al., (2001) Funaki et al.(2003) chain ? 薄い密度の3aガス α α Cluster 10.3 MeV + 02 7.65 MeV α αt 薄い密度の2a+4He α + 03, 4 2a+t 7Li+a 10.3 mean-field 3/2 3/24 3 α α t 8.5 8Be+a 3/2 2 + 01 AMD by Y.K-E. α + p3/2 αα 3a+p3/2closed - 3/21 tα α p3/2 b遷移、M1遷移の実験値を再現 4-2. 不安定核の構造変化基底状態の構造変化 Y.Kanada-En’yo et al., PTP Suppl. 142, 205 (2001) 12Be 10Be 8Be α α 14Be αα α α α α αクラスター α α α α 14C α αα 陽子数=4 α 陽子・中性子数に依存して劇的に変化余剰中性子 12C クラスターの発達 16C α αα 20C α αα 中性子スキン陽子数=6 不安定核における陽子分布と中性子分布の異なる変形 Cアイソトープの基底状態の構造変化 Y.Kanada-En’yo et al., PTP Suppl. 142, 205 (2001) 中性子数の増加とともに中性子構造が劇的に変化 12C α α α 14C 16C α αα α αα 20C α αα 中性子スキン陽子分布と中性子分布の相違を予言最近の測定実験で支持 •E2遷移強度(Imai et al.,2004) •非弾性散乱(Elekes et al, 2004) ＋ oblate陽子分布 prolate中性子 16Cの非弾性散乱 M. Takashina, Y.K-E, Y. Sakuragi, Phys. Rev. C 71, 054602 (2005) 16C(0+→2+) on 208Pb Interference between nuclear & Coulomb excitation AMDで計算した遷移密度を inputにチャネル結合の反応計算 4-3. 質量数～40の領域への挑戦未知領域の研究（不安定核、励起状態）従来の常識を破る多様な現象芯の仮定なし模型空間の拡張⇒大規模計算模型的仮定を少なくして系統的な研究理論手法 SVMなど GFMC 精密計算ＫＥＫスパコンを利用した collaboration AMD法この６年の進展将来計画平均場理論不活性芯ゼロレンジ角運動量射影や重ね合わせ現実的模型空間有効核力有限レンジ量子多体系の近似模型計算核力理論模型を拡張する必要性拡張したHF計算クラスター模型拡張されたシェル模型 Skyrme HF計算 RMF 16 40 200 質量数A 40Caにおける超変形状態励起エネルギー(MeV) 40Ca 20 12+ 15 10 5 0 基底 K=0+ 4 10+ 8+ 6+ 4+ 2+ 0+ 超変形洋ナシ型! 28Si 8 クラスター間励起 0 What’s new ? ・実験で発見された超変形の励起状態にパリティ非対称変形を提唱。Si+Cクラスター的構造が起因？・Si+C分子共鳴状態の予言 12C 分子共鳴 40 30 超変形 20 計算値 10 実験値 0 0 50 100 150 200 スピンJ(J+1) 5.まとめクラスター的様相は原子核における基本的性質二つの性質が共存：クラスター平均場不安定原子核でも質量数40～領域でも重イオン反応でも原子核の多様な現象系統的な研究こそが核子多体系の統一的理解と New Physicsにつながる励起状態安定核不安定核基底状態メッセージ・「（科学とは）自然に問いかけ、自然からの答えに耳を澄ますということ」（カルロ・ルビア素粒子物理実験）・実験データとの対応・偏見を捨て、これまでの常識を捉われない研究が新しい発見と本質的理解に繋がる・できるだけ模型的仮定の少ない理論計算・適当な模型化による大規模計算他の有限量子フェルミオン系への適用