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

1. 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

2. 有限レンジ３体力 軽い不安定核構造 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 原子核の理論計算に関する研究課題 ２０００年度 ２００１年度 ２００２年度 ２００３年度 ２００４年度 ２００５年度 　　延与（京大） 　　小野（東北大） 　　肥山（奈良女子大） 原子核反応 原子核構造 ハイパー核構造 原子核反応 原子核構造 古田（東北大） 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

3. 研究成果 ２００３年度 ２００４年度 ２００５年度

4. 1. はじめに

5. 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 諸問題を解明 原子核の本質を理解 再現 予言 インプット 理論計算

6. ハドロン物質の相図 ハドロン物質の相図 温度 宇宙の初期 高エネルギー 重イオン反応 QGP ハドロンガス 核子ガス ～200 MeV 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 ～10r0 密度 通常の原子核・不安定核の構造 液相気相 の共存

7. export to astrophysics 星の中での 元素合成のinput 核物質の状態方程式 不安定原子核 陽子数　 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

8. 陽子 中性子 核力 電子の運動 核子の運動 軌道、殻構造 核子が自己束縛 原子核からの クーロン力で束縛 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 原子核の性質 原子 原子核 陽子と中性子の多体系 電子

9. 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 中性子ハロー 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

10. 12O 13O 14O 15O 16O 17O 18O 19O 20O 21O 22O 11N 12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N 19N 20N 21N 8C 9C 10C 11C 12C 13C 14C 15C 16C 17C 18C 19C 20C 8B 9B 10B 11B 12B 13B 14B 15B 17B 19B 7Be 8Be 9Be 10Be 11Be 12Be 14Be 6Li 7Li 8Li 9Li 11Li 3He 4He 6He 8He 1H 2H 3H n core core Exotic structure in light nuclei クラスターの 3角形構造 α α α α 3-2 in 14C α α クラスター気体 C 0+2 in 12C B 異なる変形の 共存 Be 10C, 16C Li He α α H excited states α α 中性子スキン Be isotopes 分子的構造 8He,C 中性子ハロー 魔法数の敗れ 6He,11Li,11Be

11. 正三角形構造 数珠構造 α ？ α α α 0.5～1 MeV/u ３つの α-クラスター α α ３αの気体状態： α-クラスターが 　　ゆる～く相互作用 α α α 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 核子気体： すべての核子がバラバラ 8 MeV/u 12C 6個の陽子と 6個の中性子 宇宙での 元素合成にも重要 液体のような性質 0 MeV 最低エネルギー状態

12. 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

13. クラスターと平均場を両方記述する理論的模型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 平均場 シェル模型、 ハートリーフォック クラスター模型 hybrid model antisymmetrized molecular dynamics AMD 反対称化分子動力学

14. 2. Formulation of AMD

15. AMDによる原子核構造の計算 変分法 モデル波動関数: proper model space and handy wave fn. 有効ハミルトニアン: (phenomenological effective nuclear force(MV1)) AMD波動関数 変分パラメータ Z={ } スレーター 行列式 ガウス波束 空間部分 det アイソスピン 内部スピン

16. 平均場 クラスター エネルギー変分 エネルギー曲面 ランダムに選んだ 初期状態 det エネルギー最低状態 を得る モデル空間 (Z plane) AMD 模型空間 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

17. 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 エネルギー 変分 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

18. 原子核の構造理論 未知領域の研究 （不安定核、励起状態） 模型的仮定を 少なくして 系統的な研究 理論模型を拡張する必要性 模型空間の拡張⇒大規模計算 従来の常識を破る多様な現象 核力 模型空間 理論手法 現実的 SVMなど 精密計算 GFMC ＫＥＫスパコンを利用した collaboration 芯の仮定なし 量子多体系の近似 模型計算 角運動量射影や 重ね合わせ AMD法 この６年の進展 有限レンジ 有効核力 拡張したHF計算 不活性芯 クラスター模型 拡張されたシェル模型 平均場理論 Skyrme HF計算 ゼロレンジ RMF 16 40 200 質量数A

19. AMDによる重イオン反応の計算

20. 研究成果

21. 3.重イオン反応・核物質の液相気相の共存

22. 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 ＫＥＫスパコンを利用した collaboration AMD（反対称化） 分子動力学 QMD(半古典的） カスケード計算 エネルギー 数MeV 100 MeV 1 GeV 液相気相 の共存　　　　　 ハドロン ガス・粒子生成　　　　 核融合　　　　　 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　 液相気相の共存　　　　　 破砕片の観測　　　　 高温膨張　　　　　 目的：実験データ（放出粒子）から 　　　　核物質の性質（状態方程式）の 　　　　情報を引き出す。

23. AMDを用いた数値シミュレーションによる研究 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 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 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

24. 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

25. + + + 01 02 03, 4 α α α α α t mean-field Cluster α α α - - - - 3/23 3/22 3/24 3/21 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 11C(11B) AMD by Y.K-E. A.Tohsaki et al., (2001) Funaki et al.(2003) chain ? chain ? 薄い密度の3aガス 薄い密度の2a+4He α 2a+t 10.3 MeV 10.3 α t 7Li+a 7.65 MeV 8.5 8Be+a b遷移、M1遷移 の実験値を再現 t α α α p3/2 + p3/2 α α 3a+p3/2closed

26. 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 クラスターの発達 10Be 14Be 8Be α α α α α α α α 陽子数=4 α α αクラスター 陽子・中性子数に 依存して劇的に変化 余剰中性子 12C 14C 16C 20C α α α α 陽子数=6 α α α α α α α α 中性子スキン

27. 不安定核における陽子分布と中性子分布の異なる変形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 14C 16C 20C α α α α 中性子スキン α α α α α α α α 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

28. 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

29. 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） 模型的仮定を 少なくして 系統的な研究 理論模型を拡張する必要性 模型空間の拡張⇒大規模計算 従来の常識を破る多様な現象 核力 模型空間 理論手法 SVMなど 精密計算 ＫＥＫスパコンを利用した collaboration GFMC 現実的 芯の仮定なし AMD法 量子多体系の近似 模型計算 角運動量射影や 重ね合わせ この６年の進展 将来計画 有限レンジ 不活性芯 有効核力 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 Skyrme HF計算 ゼロレンジ RMF 16 40 200 質量数A

30. 分子共鳴 超変形 計算値 実験値 スピンJ(J+1) 12C 40Caにおける超変形状態 40Ca 12+ 10+ 洋ナシ型! 8+ 6+ 28Si 励起エネルギー(MeV) 4+ 2+ 0+ 超変形 K=0+ 基底 クラスター間励起 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

31. 5.まとめ

32. クラスター 平均場 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： 　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 励起状態 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 安定核 不安定核 基底状態

33. ・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 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）