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2020 February
no.

32

新版
https://www.st.keio.ac.jp/education/kyurizukai/
English versions are also available:
https://www.st.keio.ac.jp/en/kyurizukai/

理論物理学
原子内部の素粒子から超新星爆発まで

物理学科

山本直希

（准教授）

研究紹介

今回登場するのは、理論物理学によって「物質とは何か」という根源的な問題に挑む、山本直希准教授です。

理論物理学でどこまで究明できるか
原子内部の素粒子から超新星爆発まで原子内部の素粒子から超新星爆発まで、この世界に存在するすべてのモノが何らかの “物どうしてそれほど難しいのか。それを知理法則” に従って運動しており、これらすべてが「理論物理学」の研究対象になる。物理

るには、まず、物質が何からできている学科の山本さんは、「理論物理学」という壮大な研究分野において、自身の好奇心とセンかを知らなくてはならない。

スによって研究対象をどんどん広げている。若き理論物理学者の研究の一端を紹介する。

「物質はすべて原子からできている」――中学校で習って誰もが知っていることだ。もともとこの原子が物質の最小のシンプルな理論から考が繰り返されている。そして、その結構成要素だと考えられていたが、今では非自明な現象を導き出す

果、「そもそも誰も気づいていないよう“原子核” とその周りの “電子” からできてな物理現象を理論的に予言」したり、「根いることがわかっている。さらに原子核本的な欠陥のあった従来の理論に代わるは “陽子” や “中性子” といった核子からで新しい理論」をつくったりする。

きていて、核子は “クォーク” というもっ慶應義塾大学理工学部 物理学科の山本さんは、ミクロなクォークやニュートと小さな粒子からできている。将来これリノに関する「原子核・素粒子物理学」から、マクロな「宇宙物理学」まで幅広ライフワークの以上小さな構成要素が発見される可能性

く論理的な研究を行う理論物理学者だ。

「クォークの閉じ込め」はあるが、現時点ではクォークとニュートリノ、電子やその仲間が物質の最小のこれほどダイナミックな研究をするのに基本的に必要な道具は「紙とペン」。

「クォークの閉じ込め」――山本さん単位だとされ、「素粒子」と呼ばれてい「最近は、iPad と Apple Pencil に代わっが理論物理学に進むきっかけとなった問る。核子の内部にクォークが存在するこたかな。研究中は、ボーッとしている

題だ（図 1）。2000 年に 100 万ドルの賞とは、大型加速器などを使って行われるように見えるかもしれません」と自分の金が懸けられた、数学のミレニアム問題

実験で確かめられている。

研究中の様子について話す。しかし、そ7 問のうちの 1 問とも関係している。し日常生活では物体が「ニュートン力の頭の中では、シンプルな理論を前提に、かし今も未解決で、山本さんのライフ学」の法則に従って運動するように、極非自明な現象を解明するための膨大な思ワークの１つになっている。この問題が小世界のクォークは「量子色力学」とい「強い力」の問題

陽子 中性子

クォーク・クォークの閉じ込め
原子核◦素粒子の標準理論の未解決問題の１つ◦数学におけるミレニアム問題と関係

2

図1・物質の質量の起源

原子核の構成要素と量子色力学。陽子や中性子といった核子の中にはクォークが 3 つ閉じ込められている。クォークは量子色力学（数式）に従って運動する。

「弱い力」の問題
ニュートリノの謎

超新星爆発の謎

スピン運動量

鏡

左巻き

右巻き

超新星＝宇宙で最も左右の対称性が破れた系
図2

超新星爆発（右）と、それに重要な役割を果たすかもしれないニュートリノの性質（左）。

ニュートリノは左巻きだけで、鏡に映した右巻きのものが存在しないため、左右の対称性が破れている。

損失のない輸送が可能になる。

う法則に従って運動する。“色” といってに、物質を圧縮して超高密度状態にするも実際に色が付いているわけではなく、とどうか。最終的には、クォークの超伝

従来の超新星の理論では、ニュートリクォークが 3 種類の自由度をもつことを導や超流動の状態になると考えられていノという素粒子が、まわりの物質に十分光の 3 原色になぞらえている。

ますが、そこに至るまでにどのような状なエネルギーを与えることなく外に逃げ「 量 子 色 力 学 で は、 核 子 か ら ク ォ ー態をたどるかを考えます」。こうして『物てしまい、爆発に至らないという問題がクを 1 つだけ取り出すことはできませ

質とは何か』を明らかにしていく。

あった。しかしそこでは、「ニュートリん。不思議ですよね」と山本さん。これ

ノには左巻きのカイラリティしか存在せが「クォークの閉じ込め」の問題である。 「カイラル輸送理論」がず、それによって左右の対称性が破れ「クォーク同士が “強い力” によって結びている」という性質（図２）が見落とされ超新星爆発の謎を解明か？ていた。
「カイラル輸送理論」が、この付けられているから」と説明されているが、誰も量子色力学に基づいて解析的に証明はできていない。

「物質とは何か」を知りたい

最近、山本さんは「超新星爆発」の研ニュートリノの性質によって生じるエネ究に力を入れている。重い星が最期に起ルギー損失のない輸送現象をも記述する

こす大爆発で、星の中でつくられた元素ことから、超新星爆発の謎に迫る新たなは宇宙空間へばらまかれる。この元素が方向性の研究に発展しつつある。

身のまわりの物質や生命を構成している「『クォークの閉じ込め』の問題が解決のだから、超新星爆発はすべての源であわからないことだらけのできなければ、クォークが集まってできる。ところが、従来の理論では爆発が起「この世界」ている物質を本当に理解していることにこりにくい。この問題を「カイラル輸送はなりません。この問題に限らず、そも理論」を応用すると解決できるかもしれそも “物質” についてはわからないことだない。

「解きたいことはたくさんあって、“ネタらけなのです」。山本さんの理論研究は「カイラル輸送理論」とは、山本さん

帳” にはまだ手付かずの問題が 50 以上あ「クォークの閉じ込め」のテーマを追いが 2012 年に論文発表した理論で、素粒ります」と話す。その中には、超新星爆ながら、同時に「物質とは何か」を明ら子のもつ “カイラリティ” という性質に発の研究のように、全貌の解明には膨大かにすることに向かっている。

よって生じる輸送現象を理論的に記述しな計算が必要で何年もかかるものから、たものだ。

アイデアさえ得られれば 1 週間程度で論では、どうやってこの目標に迫ってい精力的に研究を進める山本さんだが、くのか。「理論物理学では、よく極限状身近な輸送現象として、電場をかける文を書けてしまうものまでさまざまだと態を想定します。例えば、今では核子かと電流が流れるというオームの法則があいう。どの問題であっても、解ければ「新ら取り出せないクォークも、ビッグバンるが、この場合は電流に伴って熱が発生しい世界」が見えてくる。山本さんがど直後の超高温の初期宇宙ではバラバラのし、エネルギーを損失する。しかし、素んな世界を見せてくれるか、ますます楽プラズマ状態「クォーク・グルーオン・粒子のカイラリティの性質を使うと、通しみだ。

プラズマ」として存在していました。逆常の物質では起きないようなエネルギー（取材・構成池田亜希子）

3

インタビュー

山本直希准教授に聞く

理論物理なら時間も空間も超え、遠いところに行ける「大学院の時には物理学者になるか、他の道を選ぶか悩んだこともありました」と話す山本さん。物理の道に進むと決めたのも、大学の部活で競技ダンスを選んだのも、海外でポスドクの経験を積んだのも、その時々の “感動” する気持ちに正直に従ってきたからだ。
そんな山本さんの鋭い感性が、慶應義塾での教育と研究で発揮されようとしている。

─どのような子供時代だったのでしょうか。
滋賀県で生まれて、名古屋、大阪で育ちました。3 人の男兄弟の一番下で、兄たちにだいぶ鍛えられましたね。サッカーの相手をさせられて、一生懸命にボールを追いかけていたのを覚えています。

たかや、ずっと遠くのブラックホールや超新星で何が起こっているのかも想像できます。宇宙に行くよりも、もっと広い意味で宇宙にアクセスできるのです。
世界で勝負するなら物理だなと思い、理論物理学の道に進みました。

中学・高校時代は数学にのめり込み、難しい問題に出合いたくて、雑誌の懸賞問題などを解いていました。特に『大学へ─東京大学で初めて所属した研究室はどのようなところでしの数学』という雑誌でピーター・フランクルさんが出していたたか。

“宿題” は、中高では習わない難しい問題ばかりでした。高校 2

東 京 大 学 大 学 院 時 代 の 指 導 教 員 は 初 田 哲 男 さ ん で し た。

年生の時には、東京大学の駒場キャンパスで行われたピーター2012 年に理研に移られ、iTHEMS（数理創造プログラム）といさん主宰の数学の講義（合宿）に参加し、事務所に泊めてもらっう新しいプロジェクトを立ち上げて研究されています。数学をて、ほかの参加者と一緒に勉強しました。東京に出てきたのは、使って、物理や生物などいろいろな現象を明らかにしようと、東京大学で数学を勉強しようと思ったからです。

幅広く人材を募って、学際的に何かできないかと探っているようです。もともと初田さんの興味の幅は広くて、すごく柔軟に─そんなに好きだった数学ではなく物理に進んだのはどうし別の分野のアイデアを取り込んで自分の分野の問題に応用したてでしょうか。

り、逆にアイデアを提供して別の分野の問題を解いたりしてい高校までの物理は公式を使って計算するイメージでしたが、ました。私が、ある物理の考え方をほかの分野で応用しようと大学で改めて「量子力学」や「相対性理論」を学ぶと、宇宙や素考えるところなどは、まさに初田さんの影響を受けていると思粒子のことなど自然界の成り立ちがわかるのだと知りました。

います。

これが数学から物理へと進路を変更したきっかけです。実は、高校生の頃に量子力学を独学で勉強したことがありました。し─海外経験もされていますね。

かし、シュレーディンガー方程式で複素数の波動関数が出てき2010 年 3 月に博士号を取った後、「海外学振（日本学術振興て……。波動関数そのものは観測できないのに、それがどうし会の海外特別研究員制度）」という制度を使って、当時、一番て現実の物理量と関係するのかがわからなくて、チンプンカン尊敬していたダム・ソンさんのいたワシントン大学に行きましプンでした。大学の授業で、量子力学が構築されていく歴史的た。
ベトナム人のソンさんは、実に美しい論文を書く研究者です。

な経緯などを学び、高校時代にはわからなかった、その意味す論文を読んで、芸術作品を見た時のように感動したのは初めてるところが理解できたのです。

でした。目から鱗が落ちるというか……。そして、どうしてこうろこんな論文を書けるのかを知りたい、直接議論や共同研究をした─宇宙や素粒子を知りたくて、物理を選んだのですね。

いと思うようになったのです。

私は数学のほかに宇宙にも興味がありました。ただ子供の頃は、宇宙に対してどのようなアクセス方法があるかあまり知らなかったので、漠然と宇宙飛行士になりたいと思っていました。

─論文が美しいとはどういうことでしょうか。
まず結果だけ見ると、自明でなく驚くような結論なんです。

ところが大学で、物理は論理的な思考によって、“宇宙で何がところが、その結論に至るステップの一つひとつは、修士の学起きているか” を、ある意味で “見ることができる” ということ生でもわかるような、非常にシンプルな論理で構成されている。

を知りました。それは現在の宇宙に限りませんし、地球からのそして、気付いたらすごく遠くまできているといった感じなの距離の制限もありません。だから、初期宇宙がどういう状態だっです。

4

問題を設定してそれにアプローチしていく理論物理学では、を開いたりしています。

特に、問題をどう設定するかが重要です。その点をソンさんか2019 年度からは、慶應義塾大学理工学部の KiPAS（慶應義ら多く学びました。そして、ニュートリノの輸送理論につなが塾基礎科学・基盤工学インスティテュート）の一員に選ばれ、る「カイラル輸送理論」は、ソンさんと一緒に考えて 2012 年

5 年間研究に専念できる環境をいただきました。これまで以上に論文にまとめたものです。に超新星爆発の問題に力を入れています。教員としても研究者としても充実した日々を送っています。

─慶應義塾は先生にとってどのような場所でしょうか。
2014 年に、初めて教員として着任しました。驚いたのは、◎ちょっと一言◎

学生たちがとてもフレンドリーで、授業が終わるとよく質問を学生さんから：しに来てくれることです。「最近読んだ本のここがわからない● 普段は優しい山本先生ですが、物理の議論になるととても鋭のですが……」といって授業とまったく関係のないことも聞きい人です。学部生の頃に授業を受けて、ある特定の問題を解くにきます。そんな風に接してくれるのを、とても嬉しく思ってのではなく、物理の普遍的な側面に重きを置いていることに共います。

感し、先生と議論をしたくてここに来ました。2 人で黒板に計教員同士の関係や研究環境も良く、2015 年には「トポロジ算式や物理法則を書きながら議論している時には、先生の直観カル・サイエンス」プロジェクト（私立大学戦略的研究基盤形力に圧倒されます。物理をよく知っているから、問題を解くた成支援事業）を立ち上げました。これは、矢上キャンパスの物めに必要な直感を得られるのだと思います（博士 3 年生）。

理学科の教員と日吉キャンパスで物理を教えている教員とで一

緒に何かやろうと始めたもので、面白そうな研究をしている国さらに詳しい内容は内外の研究者を呼んで話をしてもらったり、国際シンポジウム

https://www.st.keio.ac.jp/education/kyurizukai/（取材・構成池田亜希子）

ミクロからマクロまで、階層を超えた普遍的な法則を見出すのが物理の醍醐味です。
山本直希
Naoki Yamamoto
専門は素粒子・原子核理論。2005 年東京大学理学部物理学科卒業。2010 年同大学大学院理学系研究科博士課程修了。博士（理学）。ワシントン大学原子核理論研究所、京都大学基礎物理学研究所、メリーランド大学でのポスドクを経て、2014 年より慶應義塾大学理工学部物理学科専任講師。2017 年より現職。2019 年より KiPAS 主任研究員を兼任。

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ある国際会議にて理論物理学者にとって欠かせないのは、他の研究者との議論です。写真は、京都での国際会議で Mannque
Rho 氏と議論しているところ。私たちの研究を気に入ってくれたのか、この後、彼が書いた教科書の表紙に、私たちの論文の図を使ってくれました。

イタリアでの Doctoral Training Program
博士課程 2 年の時に、イタリアのトレントにある研究所（通称 ECT*）での Doctoral Training Program に約３カ月間参加しました。この間、様々な国から来た学生たちとアパートメントをシェアして共同生活をしました（自分は主に皿洗い係でした）。このちょうど 10 年後に、慶應での自分の研究室の学生も同じプログラムに参加することに。

Nと本直希の O山。

り返ります

るまでを振

現在に至院時代から

大学

OFF

シアトルでの食生活
アメリカのシアトルでポスドクをしていた時の同僚の送別会。
皆で食べているのはエチオピア料理。ランチは基本的に毎週、大学周辺にあるタイ料理、インド料理、メキシコ料理、ベトナム料理などのレストランのローテーションで、時折それ以外の珍しい料理を食べに行きました。ランチの後は、皆でカフェにコーヒーを飲みに行くのがお決まりのコースでした。

メリーランド大学でのポスドク時代
メリーランド大学時代のボス
だ っ た Tom Cohen さ ん と。
当時は予想もしなかったことに、この 後自分 が 慶 應で 教えていた学生が大学院からメリーランド大学に行き、現在は彼の下で研究しています。

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慶應義塾での「トポロジカル・サイエンス」
プロジェクト2015 年 度 か ら、 慶 應 の 日 吉・ 矢 上キャンパスで素粒子・原子核・宇宙物理の理論研究に携わるスタッフを中心に、「トポロジカル・サイエンス」
プロジェクト（代表は商学部・日吉物理学教室の新田さん）を立ち上げました。写真は 2019 年 3 月時点でのメンバー。様々なバックグラウンドをもったポスドクとともに、これまで精力的に研究活動を行ってきました。

● 宇宙がわかるデータブック● 重力とは何か・強い力と弱い力● 量子論入門講義

子供の頃に父親に買ってもらった本。宇

自然界の基本的な相互作用である重力、大学 1 年時に受講した量子力学の講義

宙のはじまりから、物質を構成する素粒強い力と弱い力について、一般読者向の教科書。この世界が、量子力学という子とその相互作用、天体の誕生と進化、けに明快かつ魅力的に解説した本。自一見するとたいへん不思議な理論で記述

ブラックホール、太陽系と地球、生命の分が子供の頃にもこういう本があったらされることに衝撃を受けると同時に、古起源に至るまでの広範な内容を、写真と思うほど、わかりやすく噛み砕いて書

典力学的な世界観に支配された当時のやイラストを使って解説しています。結かれています。「重力とは何か」、「強い自分は、この世界のことを何もわかって果的には、この本がその後の自分の研力と弱い力」にはそれぞれ、最初のポいないということを思い知らされました。

究者人生の原点になっているように思い

スドク時代のボスだった Son さんと、大教科書の後半では、場の量子論や重力ます。時折、初心にかえるべく本を見返学院時代の指導教員だった初田さんがの量子論を構築する困難さまで解説してしています。

登場し、個人的に感慨深く読みました。

います。

● Quantum Field Theory in a Nutshell● Mechanics

場の量子論の基本的なアイデアから始まり、素粒大学に入って最初に読んだ力学の教科書。高校までは単子論や重力理論、超流動・超伝導現象に代表さに公式として覚えていた物理法則が、シンプルな原理に基れる物性物理、界面成長の非平衡物理など、スケーづいて論理的に理解できることを知って、目から鱗でした。

ルを超えた様々な物理現象への場の量子論の応用

Landau-Lifshitz の『理論物理学教程』は、この力学を含がエレガントに説明された教科書。場の量子論のめた全 10 巻からなり、現在の自分の研究の至る所でそれうろこ普遍性と美しさをまざまざと実感させられます。フ

らの考え方が基礎になっています。多くの理論物理学者は、ランクな講義を聴いているような感覚で、楽しん

従来の Landau 的なパラダイムを超えることを目指して研で読みました。

究している、と言っても過言ではないでしょう。
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とを考える人がいるものだと思った。宇の積年の問題の多くは解明されないまま

山本直希

宙のことに限らず、何かそういう自然界だ。それでも、この間に着実な進展もあの根源的な問題について探求し、理解しる。この宇宙の年齢が約 138 億年であるうるということがたいへん魅力的に映っことが明らかとなり、素粒子の質量の起たものである。

源となるヒッグス場の存在が実験的に確9 歳の頃のこと、父親が『宇宙がわかるデータブック』という本を買ってきた。宇宙のはじまりや素粒子、星の生さて、それから四半世紀以上たった一認され、最近、ついにブラックホールや死、生命の起源などについて、鮮やか

昨年（2018 年）9 月、スウェーデンで中性子星同士の合体からの重力波が検出な写真やイラストを使って説明されていのある研究会に参加した。参加者にはそされた。重力波については、アインシュる本にすっかり魅了された。本の説明れぞれオフィスが与えられたのだが、自タインが理論的に予言してから直接観測の中で、特に印象に残っていることが２分と同じオフィスにいたのは、あのビレされるまでに、約 100 年もの時を経ていつ。１つは、物質をつくる基本的な構成ンキンだった！ちょうど自分が講演するる。このような人間のスケールをはるか要素はクォークとレプトンと呼ばれる素日に彼が帰国する予定とのことだったのに超えたことまで、長いタイムスパンで粒子たちで、現在の宇宙にはどういう訳で、最近自分の書いた超新星爆発に関す科学的に突き止めてしまうのだから、純かクォークが単体では存在しないというる論文について、オフィスで議論しても粋に人類は凄いと思う。

こと。もう１つは、宇宙はもともと空間らった（もちろん、自分が子供の頃に読のない無の状態から、泡のように突然有んだ本のことも話した）。まさか自分と今はまだ誰にも見えていない自然の普限の大きさの状態に遷移して誕生したかビレンキンの世界線が交わり、自分のア遍的な仕組みを明らかにしていくこともしれないということ。しかし、当時は、イデアを直接話せる日が来るとは、当時に、自分も少しでも貢献できたらと思うそれが何を意味しているのか、何故そうは思ってもいなかった。

し、若い人たちにも一時的な流行だけにすご確かにそこに存在しているけれども、考える必要があるのか、理解することが子供の頃から現在に至るまで、世のとらわれず関心をもってもらえたらと考できなかった。この「宇宙の無からの創中には “役に立つ” ものがかなり増えたえている。そして、様々な方向性でそう成」というアイデアは、ソ連生まれの物ように見えて、また様々な分野が流行をいう根源的な問題に挑戦することの意義

理学者ビレンキンが提唱した説というこ伴って発展してきたように見えて、宇宙について、理解のある社会であってほしとで、世の中には想像を絶するようなこや物質の成り立ちに関するそれ以前からいと願っている。

理 工 学

Information

ビジネスアイデアコンテストを開催
KEIO TECHNO-MALL 2019 第 20 回 慶應科学技術展にて、ビジネスアイデアコンテストを開催しました。

【コンテストの概要】
慶應義塾先端科学技術研究センター（KLL）で【参加チームと発表者、および審査結果】
最優秀賞 Zip Infrastructure

は、理工学部等での教員・学生による研究成果

を社会に実装、還元するために、ベンチャー企優秀賞

業創出、投資、またベンチャー企業への技術支援、易・迅速な遺伝子定量技術の開発と実用化協力を積極的に行っています。このコンテス

トでは、KLL の取り組みの一つであるインキュ優秀賞

Toy Stepベーション活動・準備支援に本年度採択された優秀賞

SC-Ring菅 琢哉（博士課程前期）

ベンチャー企業の卵となる学生の事業アイデア

優秀賞

LABLIC

長友竜帆（博士課程後期）を、4 分間のショートプレゼンテーションによ（以下発表順）るピッチコンテスト形式で紹介しました。

検索行動に注目した情報銀行業

8 チームの参加があり、それぞれのビジネス

須知高匡（学部 3 年）
コンジュゲート金ナノ粒子による簡江刺家恵子（博士課程後期）

山本剛毅（博士課程前期）小野寺

アイデアについて、技術面、ビジネス面での審ライブ型 SNS の提案

倉田

査を行い、最優秀賞 1 チーム、優秀賞 4 チームを債権譲渡スマートコントラクト選出しました。

豊泉稜（学部 4 年）

新版
No.32

2020

February

彩司（学部 4 年）
喜一郎（学部 2 年）

編集

新版窮理図解編集委員会

写真邑口京一郎

デザイン 八十島博明、石川幸彦（GRID）
編集協力 サイテック・コミュニケーションズ編集後記
小さい頃から「解く」ことが好きだったという山本准教授。「解きたい問題がたく発行者

岡田英史

発行

慶應義塾大学理工学部〒 223-8522  横浜市港北区日吉 3-14-1

さんある」と目を輝かせながら話す姿が、とても印象的な取材でした。大学に入って問い合わせ先（新版窮理図解全般）

から新しいことに挑戦しようと、競技ダンスや格闘技を見学したり、いろいろな人に

kyurizukai@info.keio.ac.jp

会いにいったりと、それまでに経験したことがないことに挑戦しようとする姿勢は、

問い合わせ先（産学連携）
kll-liaison@adst.keio.ac.jp

問題を解くことができたときと似た感覚を得られることが原動力になっているのか

web 版もしれません。

https://www.st.keio.ac.jp/education/kyurizukai/（萩原いずみ）facebook

今号の表紙：山本准教授が研究している「超新星」を背景にして制作しました。

https://www.facebook.com/keiokyuri

新版子供の頃からの「宿題」

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