共同研究・競争的資金等の研究課題

近年の量子計算機や量子情報理論の急速的な進展によって、量子計算もしくは関連する計算手法（特にテンソルネットワークに基づく手法）を素粒子・原子核物理学、すなわち、場の量子論的な系の問題へと応用する試みが注目を集めている。本研究は場の量子論の中でも特に宇宙初期や高エネルギー重イオン衝突実験の物理で重要になるゲージ理論の時間発展を計算するための量子計算手法の開発を行う。簡単な非平衡問題に関して開発した計算手法を超伝導型量子計算機を使って実際に実行することで、手法の開発に留まらず、より将来的な応用へと繋がる実践的な研究を行うことを目標とする。

極限状態におけるハドロン多体系の物理における２つの未解決問題: ハドロンの非平衡ダイナミクス及び，高密度ハドロン物質の相構造の理解の問題の定性的理解を目指す．これらの状態の理解は宇宙初期の時間発展，高エネルギー重イオン衝突の物理や中性子星の内部がどのような状態になりどのような状態方程式が実現されるかを理解する上で重要になる．格子上のハミルトニアン形式を用いて，その実時間発展や高密度状態を数値シミュレーションすることで，どのようにハドロンが熱平衡状態にいたるか，高密度ハドロンの相構造はどのようになるか明らかにする． (1+1)次元系のQCDの有限密度の問題に取り組んだ． (1+1)次元系では，グルーオンのダイナミカルな自由度が存在しない．そのため，適切なユニタリ変換を施すことで，フェルミオンのみの自由度で書かれたハミルトニアンに変換することができる．また，フェルミオンをスピン系に変換する手法を用いることで，問題は，(1+1)次元のスピン系の問題に帰着することができる．さらに，(1+1)次元系では，密度演算子のくりこみ群の手法が有効である．我々は，SU(2)及びSU(3)の(1+1)次元QCDをスピン系に変換し，開放端境界条件のもと，密度演算子くりこみ群を用いて解析した．我々は，状態方程式や，密度分布，カイラル凝縮や分布関数の振る舞いを調べることで，有限密度QCDの振る舞いを考察することができた．まず，開放端境界条件の有限密度では，SU(2)，SU(3)ともに非一様相が実現することがわかった．また，SU(2)QCDでは，分布関数の振る舞いが，BEC/BCSクロスオーバーと類似した振る舞いを示していることがわかった．ここで，BECはボーズアインシュタイン凝縮，BCSはバーディーン-クーパー-シュリーファーの頭文字を表す．興味深いことに，SU(3)QCDに関しても同様の分布関数の振る舞いが確認された． 高次元への拡張として，ハニカム格子上の(2+1)次元SU(2)ゲージ理論の定式化に取り組んだ．定式化は完了し，小さい自由度の場合には，厳密対角化を用いた数値計算もうまくいくことがわかった． (1+1)次元のQCDの性質を調べる研究がうまくいっているため．また，SU(3)におけるガウスの拘束条件を解いて，具体的なヒルベルト空間を構成する方法も出来上がりつつある． まず，(1+1)次元QCDの研究成果を論文にまとめる．並行して，高次元への拡張の研究及び，（１＋１）次元QCDの実時間発展の問題に取り組む．

QCD相構造，特に高密度QCD相の理解は大きな未解決問題でありその解明は，ハドロン物理の大きな目標のひとつである． 理論的には非摂動的解析に困難があり，高密度QCD相の理解を進展させるには既存の解析手法及び発想とは異なるアプローチが不可欠である． 近年進展が著しい一般化対称性は非摂動的アプローチとして有力視されている方法であり，一般化対称性を用いて高密度QCDの問題に挑む． 特に，位相欠陥のような広がった物体に注目し，その上の新奇な相転移や，輸送現象の解明を通じて高密度QCD相の相構造の解明に挑む．

これまでの研究により理論と実験の定量的な比較が可能であることが明らかにされている神経幹細胞系(2次元系)をプラットフォームとして、アクティビティとカイラリティが織り成す普遍的な輸送現象を明らかにする。2次元系の基本法則を明らかにした上で、本研究はさらに3次元系へと研究を進める。現実の生体系は3次元的であるので、アクティブマターの学理を生命現象へと応用するためには理論の3次元的拡張が必須である。しかしながら3次元系のアクティブネマティクスの理論はまだほとんど確立されていない。 我々は2次元系の研究で得られた知見を活かし、このフロンティアを開拓する。 アクティブマターと呼ばれる自己駆動する粒子の集団において、集団を構成する粒子がもつミクロなカイラリティ(キラリティ)により生じるマクロな輸送現象(カイラルな輸送現象)を実験的に発見し、理論的にミクロな機構を解明した。さらに、実験と理論の間の定量的な比較を進め、実験量から理論モデルのパラメータを決定する方法を確立し、実験的に決定した理論モデルを用いて予測を与える枠組みを構築した。 アクティブマターの精密な実験系とその定量的な理論モデルの両方を確立したことは非平衡統計力学の基礎研究を今後進めていく上で非常に重要な進展であったと考える。 また、本研究で得られたagent-based modelに基づく数値計算のノウハウは例えばナノロボットなど高機能物質を人工的に設計する際の理論的な枠組みとして生かすことができるなど、将来的な工学的応用を通じて社会的な意義があると考える。

本年度は、媒質中のQCD和則ついての研究を行った。昨年度までの研究をより一般の場合、特に有限温度、有限密度の場合に拡張し、その拡張した和則の現象論的応用を行った。これまでに得られた成果を論文にまとめているところであり、今後、論文を投稿する予定である。 また、交付申請書に記載されていない研究をいくつか行い、成果を論文にまとめて発表した。南部-ゴールドストーンボソンの一般論についての研究を行い、論文を2件投稿した。これらについてはすでに出版されている。一つ目の論文では、有限温度、有限密度中での、南部-ゴールドストーンボソンの分散の計算、特に分散の虚部の振る舞いを解析し、有限温度媒質中での南部-ゴールドストーンボソンの長波長での振る舞いを一般的に議論した。もう一つの論文では、時空対称性を含むより一般の場合についての弾性変数の数勘定の定理を議論した。また、強い電場中でのシュウィンガー効果についての論文を1件投稿した。これもすでに出版されている。確率過程量子化に基づくシュウィンガー効果の解析方法を構成し、簡単な例を用いて構成した方法が実際にうまく使えることを実演した。今後、構成した方法を用いて、重イオン衝突や物性実験を解析する研究を行う予定である。 他にも、非一様な閉じこめ相転移や、複素ランジュバン法を用いた量子渦の生成の第一原理的計算、さらに、相対論的流体力学の場の量子論からの導出に関する研究など3件を論文として投稿した。

本年度は、非平衡量子開放系における自発的対称性の破れ、特に、南部-ゴールドストーンモードの研究を行った。南部-ゴールドストーンモードは自発的対称性の破れに伴い普遍的に現れるギャップレスモードであり、対称性の自発的に破れた系の低エネルギーダイナミクスを決定する。本研究では、時間的に振動する凝縮を伴う非平衡定常状態について、その低エネルギーダイナミクスを南部-ゴールドストーンモードを通じて解析した。 近年、時間結晶と呼ばれる時間並進対称性が自発的に破れた量子物質の存在が理論的に提案され、いくつかの系においてその実験的な検証がなされている。南部-ゴールドストーンモードは連続的な対称性が自発的に破れれば一般的に現れるため、時間結晶においても南部-ゴールドストーンモードが現れると期待される。我々はヴァンデルポール振動子と呼ばれる力学系を場の理論的な系に一般化し、非平衡定常状態における時間周期解とその周りの摂動を調べた。その結果、時間並進対称性が自発的に破れた解の周りでは時間並進対称性を復元する力学的自由度に結合するゼロモード、つまり、時間並進対称性の自発的破れに伴う南部-ゴールドストーンモードが必ず現れることを発見した。さらに、時間並進対称性と内部[U(1)]対称性が非可換的に破れる系を理論的に構成することで、保存系では現れないタイプの（過減衰を起こした）南部-ゴールドストーンモードが時間結晶では現れることを示した。