研 究 会・学 会 スケジュール
NMR研究発信拠点としての名古屋を目指して —開 催 日 ： 2013 年 10月16日（ 水 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学ES総合館 1 階セミナー室
主催 ：日本分光学会ＮＭＲ分光部会
名古屋大学理学研究科附属構造生物学研究センター
問い合わせ ： 武田光広 理学研究科 特任助教
takeda.mitsuhiro@a.mbox.nagoya-u.ac.jp ／ 052-747-6474

第 13 回名古屋国際数学カンファレンス

Perspectives of Representation Theory of Algebras_ Conference honoring Kunio Yamagata on the occasion of his 65th birthday_

やく見つかったとの報告である。史上最高のエネルギーを実現する加速器の建設によってこれが可能になった。当事者の生々しい報告によって、世界中の研究者の多大な労苦の末に、膨大な資源を使ってこの成果は得られたことが伝わってくる。今後の地味で膨大な追究作業によって、新粒子の「 顔 」がさらに詳しく見えてくることだろう。ヒッグ
ス粒子への長年の待望の末に、「この発見はむしろ静穏

開 催 日 ： 2013 年 11月11日（月）～ 15日（ 金 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ： 名古屋大学大学院多元数理科学研究科
問い合わせ ： 伊山 修 多元数理科学研究科 教授
iyama@math.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-2816

じくして、新たな宇宙背景放射の高精度観測も発表され素粒子宇宙起源研究機構国際シンポジウム2013

た。それによると、宇宙の年齢はこれまでの137 億年から少に迎えられた」と感じたのは、
私ひとりであろうか。時期を同

KMI International Symposium 2013
“Quest for the Origin of Particles and the Universe”

し伸びて138 億年とすべきだろうとのことである。
「 基礎物
理はこれから何をめざすのか 」、人類にとっての大きな宿

開 催 日 ： 2013 年 12月11日（ 水 ）〜 13日（ 金 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館
主
催 ： 名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構
問い合わせ ： 國枝秀世 素粒子宇宙起源研究機構 副機構長
kunieda@u.phys.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-5823

南半球宇宙観測研究センター国際シンポジウム“Birth and death of high-mass stars:
probing newly explored phases of the interstellar medium”
開 催 日 ： 2014 年 1月7日（ 火 ）〜 11日（ 土 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館
主
催 ： 名古屋大学大学院理学研究科附属南半球宇宙観測研究センター
問い合わせ ： 立原研悟 理学研究科 准教授
k.tachihara@a.phys.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-2839

北海道大学冬季シンポジウム

美津木／井上摩耶・谷本昌志／渡邊誠一郎

表紙説明2012 年 7月、スイス・ジュネーブのLHC実験で
ヒッグス粒 子が発 見されたとの発 表があった。表紙背景の図は、その時のヒッグス粒子
による事象の候補の一例である。ヒッグス粒子の発見により素粒子物理学を新しい局面

No .25

広報委員

杉山 直（評議員）
糸 健太郎（数理学科）
戸本誠（物理学科）出口和彦（物理学科）
山口潤一郎（化学科）

理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）

多元数理科学専攻
理学研究科

関連施設等

杉山 伸（生命理学科）

附属南半球宇宙観測研究センター

瀧口金吾（生命理学科）附属タウ・レプトン物理研究センター

古本宗充（地球惑星科学科）
斉藤

太陽地球環境研究所

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究機構

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻編集発行

附属臨海実験所

本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。
広報委員会までご連絡ください。

遺伝子実験施設

地球環境科学専攻

なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

生物機能開発利用研究センター

次号は2014年 4月頃発行の予定です。

附属地震火山研究センター
博物館

事務部

年代測定総合研究センター

技術部

地球水循環研究センター
減災連携研究センター

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 -8602 名古屋市千種区不老町
ご意見、ご感想をお待ちしています。

附属構造生物学研究センター

環境学研究科肇（事務長）

エコトピア科学研究所

物理学科

地球惑星科学科

篠原久典（研究科長）

autumn _ winter 20132013年10月10日発行

松本邦弘（副研究科長）

組織図

数理学科

誠

12 _ 理の先端をいく ◇唯
18 _ 理学部交差点

福井康雄（物理学科）※委員長

多元数理科学研究科

04 _ 素粒子、物質、宇宙の質量の謎◇久野純治
08 _ ヒッグス粒子の発見とさらなる新粒子を求めて◇戸本浩

日本化学会第 94 春季年会

大学院研究科（専攻名）「 素 粒 子 物 理の７月革 命―ヒッグス粒 子 発 見 ― 」

題と思われる。
（ 福井康雄 ）開 催 日 ： 2014 年 2月16日（日）〜 21日（ 金 ）開 催 場 所 ： 北海道大学
主催 ： 北海道大学
協
賛 ： 若手研究者戦略的海外派遣事業費補助金（ 広域赤外・CO輝線観測と理論に基づいた星・惑星形成の連携研究 ）問い合わせ ： 竹内 努 理学研究科 准教授
takeuchi.tsutomu@g.mbox.nagoya-u.ac.jp ／ 052-788-2475
http://astro3.sci.hokudai.ac.jp/igssf2014/

開 催 日 ： 2014 年 3月27日（ 木 ）～ 30日（日）開 催 場 所 ： 名古屋大学東山キャンパス
主催 ：日本化学会
問い合わせ ： 渡辺芳人 物質科学国際研究センター 教授
p47297a@cc.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-3049

特集

02 _ 時を語るもの〈 森へと導く「 7月革命 」が起こった。

“The impact of galactic structure on star formation”

理学部（学科名）

25

今回の特集は、
ヒッグス粒子と見られる新素粒子が、よう

平成 25 年度日本分光学会NMR分光部会講習会—

名古屋大学理学部･大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
autumn _ winter 2013

編 集だより

制作
編集協力
デザイン

株式会社電通株式会社コミニケ
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

ISSN 1884 _ 8486

重文博士 〉◇梅村_
03
理のエッセイ◇松原隆彦

時を語るもの◎ 理のエッセイ

す べての星が1カ所に集まると
松原隆彦

森 重 文 博士 ＿3 次 元 極 小モデル 理 論 の 完 成もり森

素粒子宇宙物理学専攻准教授

し げ ふ み重 文（ 1951_ ）元名古屋大学理学部講師（1980 _1982 ）
同助教授（ 1982 _1988 ）
同教授（ 1988 _1990 ）京都大学数理解析研究所教授（1990 _ ）名古屋大学特別教授（ 2010 _ ）日本学士院賞（ 1990 ）フィールズ賞（ 1990 ）
文化功労者（ 1990 ）Illustration: Junichi Kishi

普段は理学系の学生を相手に講義などをしているが、非理工学系の学生や一般向けの講義・講演をすると、意外な質問や感想が出てきて、新鮮な感じを受けることがある。
とくに私の専門である宇宙論の話をした後は、たまに面白い意見が出てきて興味深い。
「 すべての物体が万有引力で引き合っているのなら、宇宙のすべての星は
いずれ 1カ所に集まってしまい、空間がなくなってしまうのではないですか 」。この学生は物質の広がりがなければ空間の広がりもいっしょになくなると考えている。ビッグバン宇宙論の立場では自然な考えである。物質と空間は一体であるということを直感的に知っているようだ。
また、「 私が死んで魂がなくなった後にも世界は存在し続けるのですか。本
当はそうでないような気がします 」という学生の感想は妙に印象に残っている。
量子論の基礎的な観測問題に切り込んできたからである。
私たち物理の研究者はニュートン力学から入って一通りの物理を学んでし

代 数 幾 何 学とよばれる数 学 の分 野では、多 項 式で記がなされたが、高 次 元 特 有の難しい問 題が行く手を阻ん述される図 形、代 数 多 様 体を研 究 する。19 世 紀ドイツででいた。そんな状 況 にあった 1 9 7 9 年、森 重 文 はハ ーツ

はすでに、1 次元の代数多様体を考えることと、その上のホーン予想を解決する。この予想の証明の過程で得られ

関 数 全 体を考えることは同 値 であることが認 識されていた独創的なアイデアは、3 次元極小モデル理論にまったくた。同 種の問 題を 2 次 元で考 察 するのは、きわめて困 難

新しい視点を開くものであった。
これを機に各国の数学者であって、絶 望 的 かと思 われたこともあった。しかし、19も加わり、1988 年に 3 次 元 極 小モデル理 論が完 成する。

世 紀 末から 20 世 紀にかけて、イタリア学 派はこの困 難をこの一 連の業 績に対して森 重 文は 1990 年フィールズ賞

克服し、2 次元の極小モデル理論を完成した。

を受賞した。

それでは 3 次 元の場 合はどうであろうか。幾 多の研 究（ 梅村浩

名古屋大学名誉教授 ）◇写真の説明まっているため、物理について何の知識ももたない状態での発想を忘れがちで

1990年8月21日から8月29日まで国立京都国ある。研究においても、自分の知識をいったんすべて忘れて、その上で発想を際会館で第21回国際数学者会議（ICM90）
が開催された。
世界中から4000 人が参加し、することも必要であり、学ぶ前に抱いていた素朴な発想を忘れたくないものだ。

9日間におよんだ会議のハイライトは森重文

ところで、最近は物理学科への進学を第一志望にする学生の数が減ってい博士が受賞したフィールズ賞の授与式でて、物理学科教員はみな悲しい思いをしている。物理を学ぶモチベーションをあった。左の写真は受賞記念講演で使用された手書きスライドの写し（日本数学会

もっていない学生からは「 物理は摩擦を無視するなどの非現実的で理想的な出版の講演録画ビデオの添付資料 ）。上の場合ばかり扱っていて、一体何の役に立つのですか 」といわれることがある。

写 真は授 与 式での森 博 士。下の写 真はこの学生の場合、意味もわからず落体運動などの計算をさせられたという苦2011 年 4月に開催された名古屋大学数理

い記憶があるらしい。何事も第一印象が大事だ。星が 1カ所に集まると空間も科学同窓会総会における記念講演の様子。

なくなるのではないか、という素朴な発想をもつ学生を理工学系の分野に惹きつける努力が必要かもしれない。
1966年長野県生まれ。京都大学理学部卒、
広島大学大学院修了。

Takahiko Matsubara

東京大学大学院助手、
ジョンズホプキンス大学研究員などを経て、現在名古屋大学大学院理学研究科素粒子宇宙物理学専攻准教授。専門は宇宙論・宇宙物理学。著書に「 現代宇宙論 」（ 東京大学出版会 2010 ）「、 宇宙に外側はあるか」（ 光文社新書 2012 ）など。

02 時 を 語 るもの

No.25 autumn _ winter 2013

03

特集

素 粒 子物理の７月革命 ―ヒッグス粒子発見 ―この宇宙のあらゆるものを構 成している最 小 単 位は素 粒 子である。
素粒子には種 類があり、その個 性をあらわす 量として「 質 量 」がある。
なぜいろいろな質 量をもつ素 粒 子が存 在 するのか。その質 量の起 源はなにか。
その答えの鍵を握っているのが「 ヒッグス粒 子 」である。
2012 年７月、
このヒッグス粒 子がスイス・ジュネーブのL H C 実 験で発 見された。
この発見は「７月革 命 」と呼ばれるほど、今、素 粒 子 研 究は盛り上がりをみせている。
ヒッグス粒 子の不 思 議な性 質と発 見までの物 語、そして、発 見によって拓かれた
素粒子 研 究の新たな可 能 性について、最 前 線で活 躍 する２人の研 究 者が読み解いていく。
（ 2013 年 6 月 8 日、第 2 2 回理 学 懇 話 会より）

素粒 子 、物 質 、宇 宙の質量の謎ます。さらにもう1 つ、電子と陽子がバラバラに

験は、電子や陽子を加速して高エネルギーに磁場が発生します。電場や磁場は空間的になってしまわないよう電気による引力が働いてし、ぶつけ合うことで小さな世界で何が起きて向きのある場で、電流や荷電粒子はその場おり、電子と陽子の間の相互作用のエネル

いるかをみる実験です。加速器実験である

所にある電 場、磁 場 の大きさとその向きに-18

ギーが存在します。これら４つを足したものがLHC実験は10 mよりも小さな領域をみようと従って力を受けます。これにより一見遠隔力と静止した水素原子の全エネルギー、すなわち

試みています（ 図 1 ）。

みえる現象が起こります。

水素原子の質量のエネルギーとなります。質遠隔力は量子力学ではもっと単純な描像

量のエネルギーは、単に構成粒子の質量ので説明できます。光は光子という素粒子の集和ではなく、運動や相互作用のエネルギーもまりであるといいました。そして光は電場や磁寄与します。

場の波であるため、電磁相互作用というのは素粒子はそれより小さい構造をもたないの光の素粒子、光子によって生じます。電荷をで、その質量の起源は水素原子の質量とはもった電子同士が散乱を起こすのは、その間異なると考えられています。後に説明するとおで光子を交換するからです（ 図 2 ）。

り、標準理論において素粒子は「 真空 」との相互作用により質量を獲得します。

＊1 CERN（ 欧州合同原子核研究機構 ）1954 年に設立されたスイス ジュネーブ近郊の国際共同研究機関。最先端の加速器を用いて素粒子の基本法則や現象を探求することを主目的とする研究所。W粒子、Z粒子の発見な
どの基礎科学としての偉大な業績があるだけでなく、ウェブ発
明などの基礎研究を超えた分野でも優れた実績をもつ。

さて、この素粒子の世界を研究する上で必

久 野 純 治 素 粒 子 宇宙物理学専攻教授

要な学問が量子力学です。量子力学において素粒子は粒子としての性質と波としての性

質量のエネルギーとは量子世界での相互作用

質の両方をもちます。我々はこれを「 粒子とスイスのジュネーブ 郊 外にあるC E R N

波の二重性 」といっています。光は波である

相互作用が水素原子の質量のエネルギー（ Conseil Européen pour la Rechercheと同時に光の素粒子「 光子 」が集まった状に寄与していることを先にみましたが、相互作

Nucléaire ） において、加速した陽子同士態であり、また、素粒子である電子は波として用とは何かについてもう少し説 明をしたいとの衝突から生じる素粒子を観測する実験、の性質をもっています。

思います。

＊1

＊2

LHC（ Large Hadron Collider ） 実験が量子力学を踏まえて小さな世界を探る方

磁石の力や天体の間の重力は、物体間に行われています。実験の紹介は戸本誠先生

法を考えます。小さいものを観測する顕微鏡

何もなくても伝わる「 遠隔力 」として昔より不にお任せし、
ここではそこで明らかにしようとしの解像度を決めているのは光の波長で、それ思議な存在でした。遠隔力の不思議を説明ていることについて解説します。

より小さいものはみえません。量子力学においするものは「 場 」という概念です。

LHC実験には2つの大きな目的があります。

てより短い波長はより高いエネルギーに対応

電磁相互作用についてみてみましょう。正

1 つは「 素粒子の質量の起源の解明 」です。

し、解像度を良くするには高いエネルギーのや負の電荷があるとそのまわりの空間の各点状態を用意する必要があります。加速器実には電場が生じます。コイルに電流を流すと＊3

素粒子の運動は素粒子標準理論 （ 以下、＊2 LHC（ 大型ハドロン衝突型加速器 ）ヒッグス粒子や超対称性粒子などの新しい素粒子の発見をめざして建設された陽子・陽子衝突型加速器。周長 27キロメー
トルの加速器によって最高で7 兆電子ボルトの陽子同士の衝突を実現する。加速器をLHC加速器とよび、LHC加速器を用いた実験をL H C実験とよぶ。陽子の衝突点は4カ所あり、アトラス実験、CMS実験、ALICE実験、LHCb実験のLHC実験が稼働中である。
＊3 素粒子標準理論
素粒子物理学において、強い相互作用、弱い相互作用、電磁相互作用の3 つの基本的な素粒子の相互作用を記述するための理論。標準模型または標準モデルともいう。
＊4 ヒッグス粒子
1964年にP.ヒッグスが提唱した素粒子の質量の起源を説明す
る「ヒッグス機構 」の存在を予言した素粒子。
＊5 A.アインシュタイン（ 1879 _ 1955 ）
ドイツ生まれの物理学者。
ノーベル物理学賞（1921年）を受賞。

標準理論 ）により非常によく説明できることがわかっています。
しかしその理論における「素
粒子の質量の起源 」を検証するためにはヒッ
グス粒子＊4を発見する必要がありました。さら人間に、標準理論で素粒子物理が終わりだとはJunji Hisano

我々は思っていません。
この理論を超える「未
知の素粒子物理現象の探索 」がL H C実験

微生物

水素原子

陽子

LHCが探る領域

1968 年栃木県生まれ。東北大学理学部卒業（ 1990 ）、同大学院理学研究科物理学専攻修了（ 1995 ）。博士（ 理学 ）。1997 年、高エネルギー加速器研究機構、素粒子原子核研究所助手。2002 年、東京大学宇宙線研究所助教授。2010 年より現職。専門は素粒子論。
素粒子標準理論を超える物理を求めてさまざまな可能性を探っている。

のもう1 つの目的になっています。
2012 年 7月4日、「 素粒子の質量の起源 」

であること」を仮定することで導かれたアイン＊5

みましょう。水素原子の中心に陽子があり、電の解明につながるヒッグス粒子が発見された

シュタイン の特殊相対性理論に登場するこ子がそのまわりをまわっています。静止した水と報告がありました。
「 質量 」についてまずはの方程式は、「 質量はエネルギーである」こと

素原子の全エネルギーの内訳をみてみます。

述べたいと思います。

を説明しています。

まず、水素原子を構成する陽子および電子質量とは何かを説明するときに重要な方程

質量のエネルギーは静止した物体がもつの質量のエネルギーがあります。
また、水素原式があります。E = m c²（ E：エネルギー、m：

全エネルギーです。質量のエネルギーをより子が静止していても電子は陽子のまわりをま

質量、c：光の速度 ）です。
「 光の速度は不変

具体的にみるため、水素原子について考えてわっているから、電子の運動エネルギーがあり

04 特 集 ＿ 素 粒 子 物 理 の７月革 命 ― ヒッグス粒 子 発 見 ―

長さ
（m）

1
図1

-3

10

-6

10

-9

10

-12

10

-15

10

10

-18

-21

10

LHC実験が探る世界

物質は原子から、その原子は正の電荷をもつ原子核と負の電荷をもつ電子からできている。さらに、原子核は正の電荷をもつ陽子、電荷をもたない中性子からなるが、その陽子、中性子はクォークからできている。電子およびクォークの内部構造がみつかっていないことからそれらは素粒子と考えられている。標準理論は素粒子の反応を記述する理論である。L H C実験は標準理論の確立および標準理論を超える理論の探索を行っている。

図2

遠隔力の起源

電気力や磁力のような遠隔力は空間の各点に存在する物理量である場によって生じる（ 左 ）。
光は電場、磁場の波であるが、量子力学では粒子と波の二重性によりこれらは光の素粒子、光子からなる。量子力学において荷電粒子の反応は光子の交換によって生じる（ 右 ）。

No.25 autumn _ winter 201305

特集_ 素粒子物理の７月革命 ―ヒッグス粒子発見 ―図3

単位体積あたりの場のエネルギー

空間的に向きのある場である電場や磁場のもつエネルギーは場の大きさの2 乗に比例し、最低エネルギー状態（ 真空 ）では場の値はゼロとなる（ 左 ）。一方、ヒッグス場のような向きをもたない場は最低エネルギー状態（真空）でゼロである必要はない（ 右 ）。真空でのヒッ
グス場の値がゼロであれば標準理論の素粒子の質量はゼロであったが、その値が有限であったことで素粒子は質量を獲得した。

物質の質量の起源は強い相互作用

陽子、中性子の質量の話に戻ります。これ変わることで生じ、そこにはW粒子という素粒も電子もすべて質量がありませんでした。とこ場です。向きをもった場が空間に一様にあるぜでしょう（ 図４）。また、重力が含まれていま

ヒッグス粒子は素粒子の質量の起源に関らを構成するクォークの質量は、陽子の質量子が関わっています。W粒子はグルーオンやろが、実際の我々の宇宙の真空は弱い相互と空間の特定の方向が意味をもつため、観測せん。これらの問題を解決する理論がより高係しますが、我々のまわりにある物質の質量に比べて数％以下しかありません。構成粒子

光子と異なり、陽子の約 80 倍の質量をもち、さ作用の「 電荷 」をもつ場、
ヒッグス場で満ちてと合わないからです。

いエネルギーに存 在 すると期 待されていまの起源には必ずしも直結しません。物質はの質量で大部分が決まる水素原子とは異なりらに電荷をもっています。

います。これはヒッグス場がない状態よりヒッグ

電場、磁場に対応して光子という素粒子がす。しかし、高エネルギーの理論の存在を仮素粒子からなることを考えると不思議に思えます。陽子、中性子の質量のエネルギーは

中性子の中にＷ粒子ができるのであればス場で満ちている状態の方が、エネルギーがありましたが、ヒッグス場に付随してヒッグス粒

定したとき、真空のヒッグス場の値がどのようるかもしれませんので、物質の質量がどのよ

クォークの間に働く強い相互作用によって生じエネルギー保存が破れているようにみえます。

低いからです（ 図３）。W粒子、Ｚ粒子はヒッ子の存在が予言されます。L H C実験ではこに決まったのか、別の言い方をすると、標準理

うに発生しているかをみてみましょう。

たものです。つまり我々のまわりの物質の質量

量子力学にはエネルギーと時間の不確かさ

グス場で満ちている「 真空 」を飛んでおり、そのヒッグス粒子を発見しました。向きのない場論の素粒子の質量がその高エネルギーの理は強い相互作用でほとんど決まっています。

の積に下限があるという不確定性原理がありの結果、「 弱い相互作用の強さ」×「ヒッグスに対応した素粒子の発見は人類史上はじめ論のエネルギースケールよりも十分に小さいでできている原子核と、そのまわりをまわる電ます。非常に短い時間ならばエネルギーが大場の大きさ」に比例した質量を獲得しました。

てとなります。

のは何故かという謎が現れます。たとえていう

子によって構成されます。従って、物質の質

きく不確定になり中性子の中に重い粒子が存

さらにヒッグス場はクォークや電子とも相互作

量のほとんどは陽子や中性子の質量で決ま在してもよく、
それにより中性子はベータ崩壊し用しており、クォークや電子も質量を獲得しまります。
しかし、陽子や中性子はさらに小さなます。Ｗ粒子が陽子よりも非常に重いので反した。つまり、真空との相互作用によってこれ

ヒッグス粒子の発見によって標準理論は完

素 粒 子 からできていることがわかっていま応が起きる確率は非常に小さくなります。反らの素 粒 子は質 量を獲 得していました。一

成を迎えようとしています。標準理論は数学

この「 不自然さ」を解消するためにはヒッグす。その素粒子はクォークとよばれています。

応が起こる確率が小さい、すなわち相互作用方、
ヒッグス場は電荷をもたないため、光子は的にも実験的にも矛盾のない理論としてこれス場のような向きのない場を扱う理論が必要

クォークは実験的に直接単体で観測されが弱いという意味で「 弱い相互作用 」とよば空間にヒッグス場があることを感じることがでまで成功しています。有限個のインプットパラ

であると考えられており、そのために提唱されることはありません。クォークは電 磁 相 互 作

れています。弱い相互作用を起こす粒子はきず、光子は質量をもたないというわけです。

メーターを決めれば、すべての素粒子の現象ている理論の１つが超対称標準理論です。

用以外にグルーオン場による「 強い相互作

Ｗ粒子の他にＺ粒子があります。これは電気

先に場の例として電場、磁場を導入しましは予言可能であり、現在まで予言と観測の間「 超対称性 」は時空間の拡張で、この理論で的に中性で、質量は陽子の約 90 倍という重たが、ヒッグス場はそれらとは決定的に違う性に矛盾が生じていません。

は向きをもたない場が自然に導入され、「 不自い素粒子です。

質をもっています。電場、磁場は空間的に向きしかしこの理論はまだ問題点があります。

をもっていますが、
ヒッグス場は向きをもたない

複数の相互作用、多数の素粒子の存在はな

物質は原子であり、原子は陽子と中性子

用 」を感じ、それによって陽子や中性子の弱い相互作用の不思議

なら、紙でつくった家を溶鉱炉の中に入れても素粒子標準理論の先へ燃えてなくならないような「 不自然さ」をそこには感じます。

光 子が素 粒 子であったように、グルーオン

おり、空間的に向きのある場で記述され、質量場に対してグルーオンという素粒子が存在しゼロ、電荷ゼロの素粒子が関係しています。

ヒッグス機構・ヒッグス場・ヒッグス粒子

この理論は宇宙の暗黒物質を説明するかもます。グルーオンは、やはり光子と同じく電荷

ここで新しい相互作用が出てきます。弱い相素粒子の個性はどこから来たのか、実はしれません。現在の宇宙には、暗黒物質とよばゼロ、質量ゼロの素粒子です。クォーク間に互作用です。弱い相互作用は今まで出てきた素粒子が伝搬する真空が各素粒子を区別し働く強い相互作用は陽子よりも小さな距離

2 つとはまるで質が違います。弱い相互作用ているのではないか、それが自発的対称性の破れです。これはノーベル賞を受賞された南くらいです。しかし、その間を陽子よりも大き

中性子は真空中では不安定で、弱い相互部陽一郎先生が素粒子物理に導入したアイ

く延ばそうとすると、バネのように長さに比例作用により崩壊します。中性子はより軽い陽デアです。このアイデアを実際に素粒子の質

して強くなります。そのためクォークを引き子に変わり、その際ニュートリノと電子を放出量に応用したのがヒッグス機構です。

離すことはできなくて陽子の中に閉じ込めらします。この過 程をベータ崩 壊とよびます。

れています。

ベータ崩壊はダウンクォークがアップクォークにもし真空が何もない空っぽの状態であったならば光子もW粒子、Ｚ粒子も、そしてクォーク

第1世代

アップクォーク

ダウンクォーク

第2世代

チャームクォーク

ストレンジクォーク

第3世代

トップクォーク

ボトムクォーク

第1世代

電子

電子ニュートリノ

第2世代

ミューオン

ミューニュートリノ

第3世代

タウレプトン

タウニュートリノ

電磁相互作用光子

素粒子質量の起源

強い相互作用グルーオン

弱い相互作用W粒子、Z粒子

レプトン属

は粒子の種類を変える相互作用だからです。

力の素粒子

ではあまり「 強く」なく、電磁相互作用と同じ

クォーク属

電磁相互作用と強い相互作用はよく似て物質の素粒子中に閉じ込められています。電磁場に対して

素 粒 子 論 研 究 室ウェブページ
06 特 集 ＿ 素 粒 子 物 理 の７月革 命 ― ヒッグス粒 子 発 見 ―ヒッグス粒子然さ」の問題が解消されることが指摘されています。

れる、正体がわからない質量をもったものが大量に存在します。暗黒物質の正体は初期
図4標準理論に登場する素粒子

物質を構成する素粒子は強い相互作用をする
かしないかでクォーク属、レプトン属に分類される。それぞれ「 世代 」とよばれる構造をもち、世代があがるほど重くなる。電磁、強い、弱い相互作用は力の素粒子を交換することで生じる。光子とグルーオンは質量をもたないが、Ｗ粒子、Ｚ粒
子は質量をもつ。ヒッグス粒子は素粒子の質量を説明するヒッグス機構において存在が予言されていた素粒子である。

宇宙につくられた素粒子ではないかと考えられています。超対称標準理論は安定な素粒子の存在を予言し、その粒子が暗黒物質の候補と考えられています。L H C実験は超対称性の予言する新粒子探索をしており、ここで暗黒物質の素粒子が発見されるかもしれません。

http://www.eken.phys.nagoya-u.ac.jp/index-j
No.25 autumn _ winter 201307

特集_ 素粒子物理の７月革命 ―ヒッグス粒子発見 ―図 2 アトラス検出器
下図はアトラス検出器の概念図。陽子と陽子の衝突点を囲むように複数種類の検出器が重ねられ、直径 22メートル、長さ43メートルの円筒形を形成する。名古屋大学は円筒形のふた部分に位置するミューオン検出器の建設や運転で活躍している（ 写真提供：CERN-ATLAS実験 ）。

ヒッグス粒子の発見とさらなる新粒子を求めて
戸本

想像できます。
しかし陽子の衝突の場合はそ誠 タウ・レプトン物理研究センター准教授

んなに簡単ではありません。まったく同じように陽子をぶつけているにも関わらず、あるときは軽いクォークやグルーオンの反応が起こり、あるときはトップクォークの反応が起こり、ある
ときはヒッグス粒子が生成し、次にどんな反応が起こるか予測できません。ただし、標準模Makoto Tomoto型の計算からそれぞれの反応の起こる頻度

1971 年生まれ。2001 年名古屋大学大学院理学研究科博士課程修了、博士（ 理学 ）。
高エネルギー加速器研究機構研究員、米国フェルミ研究所リサーチ・アソシエイトを経て2006 年より現職。専門は、高エネルギー加速器を用いた素粒子実験。長年の夢であったヒッグス粒子の発見が達成され、次は標準模型にない新粒子の発見をめざす。

はわかります。L H C加速器では、毎秒 5000
総 重 量
研究者数
参 加 国

約 7000トン
約 3000 人
38

万回程の頻度で軽いクォークやグルーオンの反応が起こります。それに対してヒッグス粒子が生成される頻度は100 秒間に1 回程度で2012 年 7 月 4日

での実 験ではつくりだすことが難しいほど重に電場をかけると、電極を通過した荷電粒子

陽子を１個ずつ加速させるのではなく、１000

光子のエネルギーを測定する「 電子・光子す。つまりL H C加速器で起こる反応の中で、本日の理学懇話会のタイトルは「 素粒子物

たい粒子であったためです。重たい未知のは加速します。加速した荷電粒子の円運動

億個の陽子の塊（バンチとよぶ ）をまとめて検出器 」、クォークによってできている粒 子

50 億回に1 回の頻度でしかヒッグス粒子は生理の7月革命 ―ヒッグス粒子発見 ― 」です。

粒子をつくるにはどうすればよいか考えてみまの半径が変わらないように電磁石の磁場を加速させます。27キロメートルの加速器の中（ハドロンとよぶ ）のエネルギーを測定する成されません。

私は、その革命の舞台であるC E R NのL H C

す。電子と陽電子をぶつけると電子と陽電子

強くします。予定しているエネルギーに達するを1380 個のバンチが 15メートルの間隔でな「ハドロン検出器 」、一番外側のミューオンの陽子は素粒子でなく、クォークやグルーオン

実験に携わっています。L H C実験は、2012

はともに消滅しますが、衝突点では電子と陽まで、加速用電極で加速して磁場を強くする

らんでいます。現在のLHC加速器は、陽子を運動量を測定する「ミューオン検出器 」の検が集まった複合粒子であることがヒッグス粒

年 7月4日、ヒッグス粒子と思われる新しい粒電子がもともともっていたエネルギーが残りまことを繰り返します。
この原理を用いた最先端

光速の99.999997%の速さになるまで加速さ出群で構成されています。どの検出器に信子の探索をさらに難しくします。ヒッグス粒子＊１子を発見したと発表しました。その発表会のす。有名な「 E=mc² 」の関係式によると、
ここの円形加速器がスイスとフランスの国境にせます。
このときの陽子のエネルギーは4TeV号を残したかを測定することで粒子の種類がの生成反応は、陽子の中の一部のクォークあ場では、新粒子発見の報告がされると立ち上で残ったエネルギーだけの質量をもつ粒子をあるL H C加速器です（ 図 1 ）。L H C加速器です。この強 力な加 速 器によって加 速した

わかります。

るいはグルーオンのみによって引き起こされ、がって拍手が贈られました。名古屋大学でもつくることが可能であることがわかります。重は周長が 27キロメートルで、地下 100メートル

陽子を正面衝突（ 衝突エネルギーは8TeV ）その発表会の様子を生中継し、偉業を祝福したい粒子をつくりたければ、粒子をより加速さに設 置されています。長さ15メートルの超させてヒッグス粒子がつくられます。

ました。翌日の朝刊は、この発見を１面記事とせてぶつければ良いのです。

電導磁石を1232 本使って、光速近くにまで加ヒッグス粒子を捕まえる検出器

名古屋大学は、円筒形のアトラス検出器の陽子の中の残りのクォークやグルーオンは、別

ふたの部分にある直径 22メートルの円盤形をの反応を起こして多数の安定粒子に崩壊ししたミューオン検出器の建設を担当しましたます。さらに、バンチの中の別の陽子も同時に（ 図 2 ）。検出器の建設だけでなく、32 万チャ

衝突して別の反応を起こし多数の安定粒子に崩壊します。

して大きくとりあげました。世界中の研究者だ

粒 子の加 速には単 純な電 磁 気を用いまけでなく、一般の方々までをも巻き込んだ世紀

す。プラスの電極板とマイナスの電極板の間

陽子の衝突点に設置した直径 22メートル、ンネルの信号を扱うための回路系や膨大な量の大発見となったわけです。

にプラスに帯電した荷電粒子を置けば、粒子

長さ43メートルの巨大円筒形をしたアトラスのケーブルの設置も行いました。大学院生たヒッグス粒子も生成すると直ちに安定粒速した陽子を磁場の中で円運動させます。

＊２

久野純治先生の講演では、理論的な観点

は電場によってマイナスの電極の方向に力を検出器 によって、L H C加速器でつくられた

ちがすごく頑張ってくれました。実験というと白子に崩壊します。生成したヒッグス粒子が何からヒッグス粒 子のお話をしていただきまし受け加速します。N極とS極の磁石で挟まれヒッグス粒子を観測します（ 図 2 ）。陽子と陽衣を着ているイメージがあるかもしれませんに崩壊するか予測することはできませんが、た。私は、そのヒッグス粒子を実験的にどうた間で荷電粒子を動かすと、粒子は磁場に子の衝突によってヒッグス粒子などの重たいが、素粒子実験では、ヘルメットを被って安全

やってつくり出し、
観測し、そして発見に至った

よって円運動をはじめます。磁場が強く、円運粒子ができますが、重たい粒子は不安定です

靴まで履いて土木工事的なこともしています。

のか説明します。そして、この発見によってこ動の半径が大きいほど、より加速された粒子

ぐに安定粒子に崩壊します。これらの安定粒こうした努力がヒッグス粒子発見という偉大なれから素粒子研究がどう発展していくのか紹を円運動させておくことができます。円形加速

子たちを検出器で捕らえて運動量やエネル

物理成果に結びつくことになるわけです。

介します。

器は、円周上に並べられた電磁石と加速用の電極からなります。円形加速器の電磁石にヒッグス粒子をつくる加速器
ヒッグス粒子が未発見であったのは、
これま

一様な磁場をかけると、荷電粒子は一定の運動量でまわります。その状態で加速用電極

08 特 集 ＿ 素 粒 子 物 理 の７月革 命 ― ヒッグス粒 子 発 見 ―図1

CERNとLHC加速器

CERNはスイスとフランスの国境にあるLHC加速器を有する国際共同研究機関。周長 27キロメートルのL H C加速器には、4 つの衝突点があり、そこでさまざまな素粒子実験が行われている。名古屋大学はアトラス実験で活躍している（ 写真提供：CERN ）。

ギーを測定することによって衝突点でどんな反応が起きたか調べます。

ヒッグス粒子の生成と崩壊

アトラス検出器は、一番内側の荷電粒子のまったく同じように２つのボールをぶつけると運動量を測定する「 飛跡検出器 」、電子やいつも同じ方向にボールが飛んでいくことが＊1 TeV（テラ電子ボルト）
素粒子実験で用いられるエネルギーの単位。1ボルトの電位差の中で電子が獲得するエネルギーは1e V（ =1.60217733×
10-19ジュール）。これより大きな単位としてG e V（ギガ電子ボルト）=109eV、TeV（テラ電子ボルト）=1012eVなどがよく用いられる。陽子の質量はおよそ1GeV。
＊2 アトラス（ ATLAS ）検出器
LHC実験の１つであるアトラス（ ATLAS ）実験で用いる検出器。アトラス実験はヒッグス粒子や超対称性粒子などの新しい素粒子の発見を主目的に進められている。A Toroidal LHC
ApparatuSの略称。

No.25 autumn _ winter 201309

特集_ 素粒子物理の７月革命 ―ヒッグス粒子発見 ―標準模型によって崩壊頻度を計算することはつまり、ヒッグス粒子が 2 つの光子に崩壊したできます。ヒッグス粒子の崩壊の中で、2 つの事象では、「 不変質量 」は必ずもとの粒子で光子に崩壊する頻度は低いのですが、光のあるヒッグス粒子の質量という決まった値にな

エネルギーを高分解能で効率よく測定できるります。陽子と陽子の衝突からクォークやグ

ため、実験的な感度が最も高いです。光子にルーオンなどによる反応を経て2 つの光子が崩壊するヒッグス粒子を例に、ヒッグス粒子をつくられた事象では、2 つの光子が決まった

どのように測定するか説明します。

粒子から生成されているわけではありません
ので、「 不変質量 」は無作為な値となります。

ヒッグス粒子をみつける

2012 年の７月に発表した2 つの光子で「 不陽子と陽子の衝突でヒッグス粒子が生成さ変質量 」の分布（ 図 4 ）をおみせします。偽れ2つの光子に崩壊した事象を探します。2つ物の予測は「 不変質量 」が低い値から高いの光子は、先に紹介した「電子・光子検出器」

値に向けて右下がりの分布をしていますが、に大きな信号を残します。信号の大きさから、「 不変質量 」が 126G e Vあたりに盛り上がり

光子のエネルギーと運動量が測定できます。

がみえます。データ点から偽物の予想を引い

図 3のような事象を沢山集めれば多数のヒッた分布をみるとより顕著に盛り上がりが確認でグス粒子を捕まえることができそうです。しかきます。この盛り上がりが統計的なふらつきにしながら、陽子と陽子の衝突からヒッグス粒子

よってたまたま盛り上がってみえる確率を、統を経ずに直接 2 つの光子を生成する偽物が計学に基づいて数値化すると30 万分の1で桁違いに多く存在します。偽物も「 電子・光した。素粒子実験では、この確率が 740 分の子検出器 」で光子が 2 つ検出されるので、み革命はさらにつづくみえました。さらに、この新粒子は、先ほどのLHC実験は2015年の再開を目指し、
現在、ヒッグス粒子が発見され、実験主導の新し2012 年 7月4日、光子対に崩壊する事象と久野先生の講演であった「 向きなしの場 」

加速器と検出器のアップグレードを行っていまい時代が幕開けしました。実験によって、ヒッ

１以下だと、統計的なふらつきでは考えられなZ粒子対に崩壊する事象（ 図 5 ）から質量がに対応する粒子である可能性が高いというす。陽子のエネルギーを4T e Vから7T e Vに

グス粒子の性質に関する新たな知見が得ら

かけは図 3と同じで本物と区別がつきません。

い何か新しい物の「兆候」がみえたと表現し、126G e Vの新粒子の「 兆候 」がみえ、その2こと、重たい粒子と反応する頻度が高そうで上げ、より高い衝突エネルギー（ 14T e V ）のれ、さらなる新粒子が発見されそうです。そしでは、どのように本物と偽物とを区別するので350万分の1以下だと何か新しい物を「発見」

つの結果を足し合わせて新粒子を「 発見 」とあることがわかってきました。2013 年 3月14

データをより多く集めます。それらのデータかて、これらの実験結果から新しい素粒子理論

しょうか。検出器で測定された2 つの光子のしたと表 現します。2012 年 7月の時 点では、しました。さらには、アトラス実験の競争相手

日、LHC実験は「新しく出てきた新粒子はヒッら、ヒッグス粒子の性質を測定するとともに、が生まれることでしょう。これからの素粒子物
理学はもっと面白くなりそうです。

＊3

エネルギーの大きさと運動量の向きと大きさか光子対に崩壊する新しい粒子の「 兆候 」がであるC M S実験 でも、まったく同じ現象がグス粒子であることを示唆している」と発表「 超対称性粒子 」などの新しい素粒子の直ら（2 つの光子のエネルギー総和の2 乗 ）－（2みえたことになります。結果は2013 年の３月に観測されました。以上の観測事実を踏まえて、しました。

接探索をめざします。
またLHC実験の先の新

つの光子の運動量の和の2乗）
で定義される

更新されました。統計のふらつきによって盛り「ヒッグス粒子と思われる新しい粒子 」
を発見「 不変質量 」の2 乗を用いてヒッグス粒子を上がりがみえている確率は、1 兆分の1 以下したと発表しました。

再構成します。相対性理論を考慮すると、このとなりました。したがって、光子対に崩壊する「 不変質量 」はもとの粒子の質量になります。

新粒子を「 発見 」したといえます。

しかし、発見された粒子が、標準模型がたな計画として「 国際リニアコライダー計画 」

予言するヒッグス粒子かどうかということはまがあります。これは全長 30キロメートルほどのその後のさらなる研究によって、W粒子対

だわかりません。それがわかるためには、ヒッ直線加速器で電子と陽電子を加速してぶつに崩壊する事象からも新粒子の「 兆候 」がグス粒子の性質を実験的に精査していく必

ける実験です。ヒッグス粒子の性質を詳しく要があります。久野先生の講演に出てきた

調べあげるのに不可欠です。

＊3 CMS実験L H C実験の1 つで、アトラス実験と同様にヒッグス粒子や超対称性粒子などの新しい素粒子の発見を主目的に進められている実験。Compact Muon Solenoidの略称。
◎参考記事
本誌 17 号P.4 特集「 小林・益川理論を超えて」「 向きなしの場 」に対応する粒子であることを確定させなければなりませんし、
トップクォーク、
ボトムクォーク、
タウ粒子などとの反応頻度

ハドロン検出器を精密に測定する必要もあります。そもそも、電子・光子検出器「 向きなしの場 」に対応するヒッグス粒子は、クォークでもレプトンでもゲージ粒子でもない
新しいタイプの素粒子であり、実験が主導し飛跡検出器てこの新しいタイプの素粒子の性質を調べあげていく必要があります。そして、その先には、「 超対称性粒子 」などの標準模型にはない新しい素粒子が存在するはずだと思わ

図 3 ヒッグス粒子が 2 つの光子に崩壊した事象の候補

図4

円筒形のアトラス検出器を輪切りにした断面からみた検出器内での様子。
円の中心が陽子の衝突点。2 つの光子の通った跡には「 電子・光検出器 」に明らかな信号（ 黄色で示される）を残すが、「 飛跡検出器 」や「ハドロン検出器 」には信号を残さない。こうした事象をたくさん集めることでヒッグス粒子の候補を探す（ 図提供：2011 年ATLAS実験 ）。

2 つの光子がある事象の光子のエネルギーと運動量から算出した「 不変質量 」の分布（ 上 ）とデータから偽物の予想をひいた分布（ 下 ）。2 つの光子が陽子と陽子の衝突からヒッグス粒子を経ずに直接出てきた偽物は、赤点線のような分布になることが予想されるが、2 つの光子がヒッグス粒子から出てきている本物であれば、「 不変質量 」
分布の決まった位置にピークをつくる。データは126G e V付近に新しい粒子によるピークがあることを示唆している（ Physics Letters B 716 (2012) pp. 1-29より）。

10

特 集 ＿ 素 粒 子 物 理 の７月革 命 ― ヒッグス粒 子 発 見 ―2 つの光子の「 不変質量 」分布れています。

高エネルギー素 粒 子 物 理 学 研 究 室ウェブページ

図 5 ヒッグス粒子が 2 つのZ粒子に崩壊した事象の候補
ヒッグス粒子が 2 つのZ粒子に崩壊し、その後、2 つのZ粒子がともに2 つのミューオンに崩壊した事象の候補。信号を残した検出器のみを図示している。水色の直方体や緑色の台形がミューオン検出器で、これらの信号によって4 本のミューオンの飛跡が測定された（ 赤色の線 ）。図 2のミューオン検出器でもミューオンを捕らえており、名古屋大学がヒッグス粒子の発見に貢献していることがわかる（ 図提供：2011 年ATLAS実験 ）。

http://www.hepl.phys.nagoya-u.ac.jp/
No.25 autumn _ winter 201311

理 の 先 端を いく Ⅰ

触媒のブラックボックスに迫る
唯 美 津 木 物 質 科学国際研究センター教授
アノード（水素と反応）触媒のかたちや働きをみる
しかしながら、これは真実ではない。実際、触媒は反応中何度もその構造を変えている。

カソード（酸素と反応）という新しいイメージング分光法をSPring- 8＊1

水素（燃料）
アノード触媒して、新しい分子をつくり出す。一連の反応後に触媒構造が元に戻れば、全体として一見と共同で開発した。この方法は、燃料電池
カソード触媒

高分子
電解質膜

ある分子の結合を切り、また別の分子と反応

本当に触媒を理解するためには、触媒がどの媒構造にアプローチすることが必要である。
私たちは、新しい触媒表面の構築をめざ

イメージングができるだけでなく、1 次元のエネ
ルギー軸を加えることで計４次 元の分 光イ

水ように構造を変え、分子を活性化し、反応を進M E Aを破壊することなくその構造の3 次元

酸素
（空気）

変化していないように見えるのである（ 図１）。

行させるか、触媒反応の時間スケールで触また、最近、X線ラミノグラフィーX A F S法

メージングを実現したものであり、内部の金属

炭素表面に分散された白金ナノ粒子触媒（電子顕微鏡写真）

触媒の分布や構造を3 次元的に可視化できる。これまでに、M E A内部で電極触媒が膜・電極接合体（MEA）

劣化して溶出した様子を可視化することに

図 2 固体高分子形燃料電池のしくみ
アノードの電極触媒によって、水素はプロトン（ H + ）と電子（ e - ）に分解される。H +は、高分子電解質膜を通過して、カソードの電極触媒（ 白金系ナノ粒子触媒 ）表面で、酸素と反応し、水を生成する。電子顕微鏡観察からは、白金ナノ粒子の分布を可視化することができるが、その化学状態の情報は得られない。

成功した（ 図 3 ）。今後、様々な発電条件での電極触媒の様子をイメージングすることで、燃料電池の中で何が起こっているかを観て、しつつ、エネルギーの高いX線を利用した
X線吸収微細構造（ X A F S ）法を使って、燃料電池触媒の劣化を可視化する

私たちは、高速で XA F Sスペクトルの測

理解し、それを基盤として次の触媒・材料

固体触媒の構造とそのダイナミックな動きを

燃料電池は、次世代のエネルギー源として定ができる時間分解XAFS法を用いて、燃料解明することに取り組んでいる。エネルギーの期待が大きい。その電極反応を担うのは、電池の運転に伴う電圧サイクル過程におい目に見えるものだけが素晴らしいとは限らの高いX線を用いたX A F S法による触媒構

白金などのナノ粒子触媒であるが、電解質て、白金 系 触 媒がどのように酸 化/還 元さない。それでも、ブラックボックスであり続けた

造解析は、触媒がどのような構造を有してい膜を挟んで電極触媒をサンドイッチした膜・れていくかをとらえ、その速度定数の解析を

触 媒のかたちや働きを目で見えるかたちでるか、その構造と反応分子がどれくらいの時

電極接合体（ M E A ）内では、運転条件に通じて、白金の合金化が電極触媒の構造理解することは、化学の夢である。そして、間で作用して反応するか、反応の進行ととも

よって電極触媒の活性低下や溶出劣化が変化に与える影響を明らかにした。白金にその知を触 媒の多 様な働きを生み出す原

触 媒は、反 応の前 後でそれ自身はかたに触 媒の構 造がどのように変 化していくか起こる。高価な白金使用量の低減とともに、コバルトなどの金属を合金化すると、電圧サイ動力としたい。

私たちの生 活には実に多くの化 学 物 質

ちを変えないが、化学反応を促進するのをなどの基礎的な問題に対する答えを与えてく

運転時の触媒劣化を抑制することが急務

クルの還 元 過 程における白金 ― 白金 結 合（ 化合物 ）が使われている。化学物質という助ける物質とされている。触媒自身は変われる。現在は、X線を使って、世界中で触媒であるが、M E A内部における触媒の働き、再形成が相対的に速くなり、結果として白金と、有害、環境に悪いとネガティブなイメージをらないのに物質間で起こる反応を根底からのミクロな構造や働きを理解しようとする研究

劣化について、その詳細を直接捉えることは合金触媒の溶出の抑制につながっているもたれるかもしれないが、私たちの生 活は変えてしまう、不思議な物質である。

が進められている。

困難であった。

可能性が示唆された（ 図 2 ）。

Mizuki Tada

1979 年生まれ。2004 年東京大学大学院理学系研究科博士課程中退。同助手（ 助教 ）、准教授を経て、2008 年より分子科学研究所准教授。2013 年 4 月から現職。専門は、触媒化学・錯体化学・X線分光学。

身近に存在する触媒開発にフィードバックしていきたい。

＊1 SPring-8（ Super Photon ring-8 GeV ）兵庫県の播磨科学公園都市内にある大型放射光施設。電子を加速・貯蔵するための加速器群と発生した放射光を利用するための実験施設および各種付属施設からなる。

化学物質なしでは成り立たない。普段手にするペットボトル、自動車のガソリン、薬、
これらは

反応
分子A

みな人工的につくられた化合物からできてい

生成物D

反応
分子B
中間体C

る。化合物をつくり出すために使われるのが、

図3「 触媒 」である。ペットボトルの原料となる化合物を合成する、その原料を重合させてプラスチックをつくる、ガソリンを精製する、自動車

触媒

触媒

触媒

触媒

の排気ガスを無害化する、葉っぱの中の光合成をする、胃の中で食 べ物を分 解する、
これらはすべて触媒によってなされている。

図1

触媒反応のイメージ

触媒表面で分子が活性化され、いくつかの中間体を経て、生成物が得られる。この間、反応分子、中間体は触媒表面と結合し、触媒自身の電子状態や配位構造が変化する。生成物が脱離して元の触媒構造に戻れば、触媒は一見何も変化していないようにみえてしまう。

使用前のMEA

無 機 化 学 研 究 室 ウェブ ページ
12

理 の 先 端 をいく Ⅰ

X線ラミノグラフィーXAFS法で可視化した燃料電池

M E A内部の白金触媒の分布。左の使用前のM E Aでは、
MEAのカソード触媒層全体に白金触媒が分散しているのに対し、右の長時間運転後のMEAでは、白金触媒が不均一に存在していることがわかる。赤色、黄色、緑色、青色の順番に白金触媒の分布密度が高い。

長時間運転後のMEA

http://www3.chem.nagoya-u.ac.jp/wordpress/?page_id=104
No.25 autumn _ winter 201313

理 の 先 端を いく

Ⅱ

小さな耳 石の大きな働き
井上摩耶
谷本昌志

生 命 理学専攻博士後期課程2年
生 命 理学専攻助教

観察の結果、受精後 5日のゼブラフィッシュに石が融合し、卵形嚢の有毛細胞上に巨大なぼすことが示された。サカナが正しく感覚をおいて、球形嚢の耳石は卵形嚢の耳石に比卵形嚢+球形嚢の耳石が形成された。この受容するためには、耳石の形成を精密に制べて2.5 倍大きいことがわかった。耳石が大き

卵形嚢+球形嚢の耳石をもつ個体を用いて、御する必要があるが、その機構にはまだまだく重いほど慣性により耳石がその場にとどま

音刺激に対するマイクロフォン電位を記録し謎が多い。耳石の形成機構を知ることは、サり、有 毛 細 胞との動きのずれが大きくなるた

たところ、驚くべきことに、本来音に応答しない

カナだけにとどまらず、
ヒトの疾患にも関わる話

め、大きな耳石をもつ球形嚢の方が、音のよう卵 形 嚢の有 毛 細 胞 が音に応 答 するようにである。実は、めまいを起こす疾患のうち、耳な微小な振動を受容するのに適していると考なった（図 3）。
このことから、
大きな耳石によっ石が原因となるものが一番多い。耳石が有えられる（ 図 4 ）。そこで、耳石が大きくなればて、有毛細胞の音への感度が向上すること

毛細胞上から移動してしまい、三半規管に入本来音刺激を受容できない卵形嚢も音刺激が示された。

り込むことで、めまいや嘔吐などが起こる。
耳石はたった数十マイクロメートルという小に応答するのではないかと考えた。

10 マイクロメートルの謎

卵形嚢の耳石を巨大化するため、受精後

図1

Maya Inoue

1988 年生まれ、愛知県出身。2010 年名古屋大学理学部生命理学科卒業。同年名
古屋大学大学院理学研究科博士前期課程入学。2012 年名古屋大学大学院理学研究科博士後期課程進学。同年日本学術振興会特別研究員（ DC1 ）。

Masashi Tanimoto

1984 年愛知県生まれ。2011 年名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻修了。
博士（ 理学 ）。専門は神経科学。日本学術振興会特別研究員（ DC 2 ）、
（ P D ）を経て現職。

聴覚と平衡感覚を分けるもの

異なる感覚として知覚される聴覚と平衡感

じだろうか。耳石とよばれる炭酸カルシウムで感覚受容細胞である有毛細胞が数ナノメー

分けるのかどうかを調べるため、有毛細胞のできた石が、耳の奥の内耳の耳石器官に存トルという毛の動きを感知している。魚類の音に対する応答（マイクロフォン電位 ）を記録在する。耳石器官は、頭にかかる加速度を耳石器官の卵 形嚢と球 形嚢は、どちらも耳した（ 図 3 ）。正常個体で得られた応答が卵検出し、頭の向き（ 傾き）やどう動いているか

石と有毛細胞から構成されるよく似た構造

形嚢と球形嚢のどちらから得られるのかを調といった平衡感覚に役立っている。直径数の感覚器官である。各部位の切除が行動べるため、ガラス微小管を用いた微細手術に十マイクロメートルの小さな石が、我々にとっに及ぼす影響から、卵形嚢が平衡感覚、球よって耳石を有毛細胞上から除去し、それぞて非常に重要な役割を果たしている。

形嚢が聴覚に寄与することが示唆されてい

れの耳石器官の働きを阻害した。その結果、るが、よく似た構造の器官を用いて、一体ど球形嚢の有毛細胞が音を選択的に電気信し、耳石器官で線形加速度と重力、蝸 牛でのように聴覚と平衡感覚を受容し分けてい号に変換することが示された。

音を感知する。興味深いことに、魚類は蝸るのだろうか。この疑 問 を解 決 するため、卵形嚢と球形嚢はどちらも有毛細胞と耳牛をもたず、耳石器官を用いて音と平衡感

我々はゼブラフィッシュ仔魚（ 受精後 5日）

石からなる共通した構造にも関わらず、なぜ

覚の両 方を受 容している（ 図 1 ）。まったくを実験に用いた（ 図 2 ）。

球形嚢のみが音刺激に応答するのだろうか。

かぎゅう

14

理 の 先 端 をいく Ⅱ

解明すべき謎も多い。生物の緻密さ・繊細さ

形嚢の耳石に接触させた。その個体を受精重要な役割を果たし、その大きさが変わってしに驚かされながら、
これからも研究に邁進して後 5日まで育成すると、接触させた2 つの耳

まえば、受容する感覚の種類にまで影響を及いきたい。

耳石の大きさが感度を決める
まず、卵形嚢と球形嚢が音刺激を受容し哺 乳 類は三 半 規 管で頭の回 転を感 知

本研究により、耳石の大きさが音の受容に

哺乳類の内耳構造と魚類の内耳構造

覚だが、その受容メカニズムは共通であり、

きゅうけいのう1日に微細手術を施して球形嚢の耳石を卵哺乳類の内耳は三半規管、耳石器官（ 卵形嚢・球形嚢 ）、蝸牛からなる。三半規管は頭の回転を感知し、耳石器官は線形加速度と重力を感知する。蝸牛は音を感知する器官である。魚類の内耳には蝸牛は存在せず、三半規管と耳石器官（ 卵形嚢・球形嚢・壺嚢 ）からなる構造である。三半規管は哺乳類と同様、頭の回転を感知する器官である。耳石器官では、一般的に卵形嚢
で平衡感覚、球形嚢と壺嚢とで聴覚の受容がなされている。内耳の各器官における感覚受容はすべて有毛細胞が担う。

我々の耳の中には石があるという話をご存らんけいのうさな石だが、その果たす役割は非常に大きく、

図2

受精後 5日のゼブラフィッシュの側方図と耳石器官の構造

受精後 5日のゼブラフィッシュの耳胞（ 耳の原基 ）の中には、2 つの耳石器官（ 卵形嚢と球形嚢 ）しか存在しない。それぞれの耳石器官は、一塊の耳石（ 炭酸カルシウムの結晶 ）と感覚受容細胞である有毛細胞で構成される。音や頭の傾きは有毛細胞の毛を傾け、その際有毛細胞に発生する電気信号が第VIII脳神経を介して脳へと伝えられる。
図3

図4

耳石器官における音刺激の受容

耳石が大きいほど、慣性によって有毛細胞との動きの差が大きくなる。

耳石の操作が音の受容に及ぼす影響

耳胞の側方図（ a〜d ）と、音刺激（ 500 Hz、5 サイクル、108d B 音圧レベル：h下部の波形 ）を与えた時に生じたマイクロフォン電位の波形（ e〜h ）。マイクロフォン電位は、耳石器官の有毛細胞が刺激を受容する際にイオンが有毛細胞に流れ込むことで生じる細胞外電場電位であり、耳胞に記録電極を刺入して記録した。それぞれ正常個体（ a、e ）、卵形嚢耳石除去個体（ b、f ）、球形嚢耳石除去個体（ c、g ）、卵形嚢+
球形嚢耳石個体（ d、h ）における結果を示す。耳石器官における刺激の受容は、有毛細胞と耳石の動きのずれによって有毛細胞の毛が倒れることにより起こるため、耳石を有毛細胞上から取り除くことで耳石器官の働きが阻害される。

形 態 統 御 学 講 座 脳 機 能 構 築 学 グ ループ

http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~m7home
No.25 autumn _ winter 201315

理 の 先 端を いくⅢ

火の鳥「 はやぶさ」の光芒

図1

試験のため組み立てられた「はやぶさ2 」

右側面に折りたたまれている黒い板が太陽電池パドル、左側面の中央下の円形のものが試料を格納して地球に投下する再突
入カプセル（ 写真提供：JAXA ）。

Sei-ichiro Watanabe

1990 年東京大学大学院理学系研究科地球物理学専攻博士課程中退。山形大学理学部助手、名古屋大学理学系研究科助教授、同大学院環境学研究科助教授等を経て、2008 年より現職。専門は惑
星科学。2012 年 10月より、「 はやぶさ2 」プロジェクト・サイエンティスト。

地球の水と生命の源を探る「はやぶさ2 」計画

度が十分に低下した段階になって、小惑星

火星と木星の軌道の間にある小惑星帯に帯から飛来した隕石が水や有機物などの生はたくさんの小惑星があり、互いにぶつかって命につながる物質をもたらしたはずだ。惑星

より小さな破片がつくられている。直径 10k m

形成期には、
半減期の短い放射性核種（ 26Alに満たない小惑星は自らが出す熱放射で軌など）の崩壊熱などで、小惑星においても、熱道が変化して、中には木星などの重力作用を水と鉱物が関与した反応で、さまざまな有機

受けやすい領域（ 共鳴領域 ）に移動し、軌物がつくられていた可能性がある。
「はやぶ

道楕円の細長さ（ 軌道離心率 ）が増大した

さ2 」が持ち帰る由来が明確で汚染のない

結果、地球に接近するようになる天体もある

試料の分析により、小惑星での生命材料の（ 図 3 ）。これが地球接近小惑星で、中には準備過程を解明したいと考えている。
手塚治虫の『 火の鳥②未来編 』において、地球や月などにぶつかるものもある。地球ができてしばらくは、今よりもずっと多くの小惑星

赤茶けた大地をさまよう山之辺マサトが目にしが地球に衝突していたことは、月のクレーターた夜空の光芒 ― 火の鳥 ― が、長い長い生命

2018 年に現地に到着、2020 年末に地球帰の分布とアポロが持ち帰った月面試料の年

史の新たな輪廻の出発点であった。
「はやぶ還を計画している（ 図 2 ）。イトカワには水や代測定とを組み合わせた解析から明らかに

さ2」
もまた、
生命の起源を探るわれわれにとっ有機物はほとんど存在しなかったが、「はやなっている。

て、火の鳥としての使命を果たしてくれるだろう。

ぶさ2 」が行くC型小惑星は炭素質コンドラ

こうした小惑星帯からの物質供給システム

イトとよばれる水や有機物を含む始原的隕石を理解することは地球の進化を考える上で重と関連があり、海や生命の起源を解き明かす

要だ。形成期には、地球表面は高温高圧の鍵が得られるかも知れないと期待している。

状態で、有機物は分解されてしまう。表面温＊1 S型小惑星
小惑星は表面反射スペクトルにより分類される。カンラン石や輝石の吸収がある明るい表面をもつS型小惑星、有機物
や含水鉱物を含む暗い表面をもつC型小惑星などがある。

渡 邊 誠 一 郎 地球環境科学専攻教授

隕石と小惑星の高さをかすめて通 過した。この小 惑 星とシュートを広げて南オーストラリア州の砂漠に2013 年 2月15日、中央ロシアのチェリャビン

チェリャビンスク隕石は軌道が大きく異なるの舞い降り、無事に回収された。カプセルに格納

スク州周辺の上空で隕石が分裂してまばゆく

で、時間的接近は偶然の一致だろう。
しかし、された小惑星イトカワの表面の微粒子が、輝き、その衝撃波で多くの建物に被害が生より広い意味で、隕石と小惑星の間には密接

S型小惑星＊1と普通コンドライトの関係を明らじ、多くのけが人が出た。回収された破片のな関係がある。つまり、地球に落下する隕石かにした。はやぶさはまさにイトカワから飛来分析から、この隕石は地球へよく落下する普の多くは小惑星の破片なのだ。

した「 人工隕石 」だった。
さて、われわれは現在、宇宙航空研究開発

通コンドライトとよばれる球 状 粒 子（コンドリュール）を含む岩石質の隕石であると確認「 はやぶさ」から「 はやぶさ2 」へ機構（ JAXA ）のプロジェクトとして、はやぶさされた。大気圏突入時の直径は20 m弱と推小惑星探査機「はやぶさ」が地球に戻っの後継機である小惑星探査機「はやぶさ2 」

定されている。実は、この隕石落下からほん

たときのことを覚えているだろうか。2010 年を開発している（ 図 1 ）。有機物や含水鉱物の約 16 時間後、2012 DA 14という仮符号をも6月13日、
大気圏に突入した機体は夜空に鮮を含むC型小惑星の1 つである1999 JU3といつ直径 45 m程度の小惑星が地球表面からやかな橙や青の光の尾を引いて燃え尽きたう地球接近小惑星を調べ、表面試料をもち帰わずか 2 万 8000 km（ 地球直径の2 倍程度 ）が、そこから切り離された耐熱カプセルがパラることが目標である。2014 年に打ち上げ、

図2

小惑星にランデブーする「はやぶさ2 」の想像図

地 球 惑 星 物 理 学 講 座ウェブページ
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理 の 先 端 をいく Ⅲ

図3

小惑星に接近し、小型衝突装置（ 母船の左下の円筒状の物体 ）を切り離した状態。この装置は、母船が小惑星の陰に退避した後に爆発し、質量 2 kgの銅板を半球殻状に加速成形させ、小惑星表面に打ち込み、人工のクレーターを形成する予定である。これにより地下から掘り起こされた新鮮な試料の獲得を目指している。母船には青色の太陽電池パドルや2 つの円形の高利得アンテナ、
イオンエンジンのスラスタなどが見えている（イラスト©池下章裕 ）。

小惑星帯からの物質供給過程

太陽からの平均距離（ 横軸 ）と天体直径（ 縦軸 ）の面上に各領域の最大小惑星を+で表示。色は小惑星のスペクトルによる分類（ 青：S型小惑星、
赤：C型小惑星、
茶：その他の型の小惑星 ）。小惑星帯の始原的小惑星が、衝突破壊による破片生成（ 黒の矢印 ）、破片小惑星の熱放射による軌道変化（ 緑の両矢印 ）と惑星摂動による急激な軌道変化（ 2 つの水色の矢印 ）によって、1999 J U3 や
イトカワなどの地球接近小惑星（ N E A s ）となり、一部が隕石として地球に衝突する。急激な軌道変化は、小惑星と木星の軌道周期の比が簡単な整数比となる領域で生ずる平均運動共鳴と、小惑星と土星の軌道楕円の軸の回転周期が一致することで生じる永年共鳴とによって引き起こされる。

http://www.eps.nagoya-u.ac.jp/~geophys/
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理 学 部 交 差点
同 窓 生から

キャンパス通信「 一 石 投じ家 」の存 在 意 義

理系女子の夢を育む

株式会社イプシ・マーケティング研究所代表取締役社長

野原佐和子（ Sawako Nohara ）生命理学専攻博士後期課程1年

小田春佳（ Haruka Oda ）書籍紹介

キャンパス通信『ヒッグス粒子の見つけ方― 質量の起源を追う』
生命理学専攻助教

瀧口金吾（ Kingo Takiguchi ）ピエール・カルティエ教 授
講演会を開催多元数理科学研究科長

菅野浩明（ Hiroaki Kanno ）私は1980 年に名古屋大学理学部化学科個体研究

あかりんご隊は、理系学部の中で少数派になりがち

今最もホットな話題ヒッグス粒子について、その探索

20 世 紀に活 躍したフランスの数 学 者 集 団である室を卒業したが、現在は化学とは無縁の毎日を送ってな女子学生の交流や支援を目的として2007 年に設立

現場に関わる物理学者によるクールな一般向け解説「ブルバキ」は、ヒルベルトの公理主義の理想の下、いる。ITおよびインターネットビジネスに関する調査・戦された。互いに就職や進路についての悩みや不安を語書である。科学書にある、どこがエレガントなのかよくわ

当時の数 学を公 理に基づき厳 密に構 築しようとした

略コンサルテーションを提供する株式会社イプシ・マー

り合ったり、さまざまな分野で活躍しているO Gに話を聞からない方 程 式やかえってわかりにくい身 近な例も

『 数学原論 』の出版で知られる。このブルバキのメン

ケティング研究所社長をしながら、慶應義塾大学大学

く機会を設けたりするなどの活動を行っている。現在

一切出てこない。

バーであるピエール・カルティエ教授を招いた講演会

院政策・メディア研究科特任教授、NECおよびNKSJ

約 20 人が在籍している。

まず導入部で質量についての説明をし、量子力学、が、2013 年 6 月 12 日、
理学南館の坂田・平田ホールにホールディングス等の社外取締役を兼務、さらに、各府

せっかく理系学生が集まっているのだからメンバー

一般相対論、そしてゲージ対称性といった現在の物理

省庁の審議会委員も多数務め、政策提言も積極的に同士の交流だけでなく、理科の楽しさや魅力を伝えるイ

学を支える3 つの原理によって今のところすべての現最初に「 The Great Mathematical Revolution

行っている。

ベントをやってみようと考え、子供向けの出張実験「 科象が正確に予言できていることが紹介される。そしてof the 20 th Century by Hilbert and Bourbaki ;社外取締役としても、政府の審議会委員としても、専学の祭典 」や「 女子中高生理系進学推進セミナー」

ゲージ対称性が成立するには、力を媒介する粒子のWhere Are We Now ? 」（ヒルベルトとブルバキによる

門のI T分野に関するテーマだけでなく幅広い領域になどを開催するようになった。昨年は、酸とアルカリの反質量がゼロでなければならないことに読者を導く。しか20 世紀の偉大な数学革命 ― 今、数学はどこに？）とついて議論をする機会が多いが、そういう場での私の応を利用した入浴剤づくりや、両眼視差を利用して3Dし、弱い相互作用を媒介する粒子は質量ゼロどころか題してカルティエ教授が講演を行った。続いて、青本

役割は「 一石投じ家 」だと自任している。

立体絵を描くといった内容の出張実験を行うとともに、とても重たいことが大きな壁となる。この矛盾を解決す

和彦本学名誉教授が 196 8 年に起きた「５月革命 」

会議は、各業界、専門領域を代表する人々がメン

就職・進学といった進路を考えるセミナー「 理系人のるために物理学者たちは考えた。いや、それらの粒子時にパリに滞在した思い出を交え、「マーサーの定理

バーとなるため、議論が専門的かつ近視眼的になりや

人生ガイド」や、理系女性のための「エンカレッジ交流の質量はやはりゼロで何かが質量があるようにふるまと中山の補題 」と題して当時の研究を紹介した。講演

すい。そういうときに、命題の基本に立ち返り、より大局会 」などを開催した。

わせているだけなのだと。まるでいたずらをした子ども会は、ブルバキの中心的メンバーで京都賞を受賞した

おいて開催された。

的な視点で、
あるいは今日的かつグローバルな視点で、2012 年の3月にはメンバーのうち3 人が内閣府主催が苦しまぎれにつくウソのような話である。もちろん書中

アンドレ・ヴェイユの自伝の翻訳を手がけた稲葉延子

新たな（ 時にはちゃぶ台返し的な）切り口をコメントすの「 第 1 回女性の活躍促進プラン学生コンペティショ

では、ヒッグス粒子が多くの研究成果の積み重ねの結

カリタス女子短期大学教授による「ヴェイユ家の物語 」

るのが私の役割である。

ン」で決勝戦に進出し次点（ 2 位 ）に選ばれた。こうし果予想されていること、そして2 つの章を割いて、見つで締めくくられた。同 教 授はアンドレの妹の思 想 家た成果と過去 5 年間にわたる活動に対して、
平成 24 年

け出すための装置やその仕組み、
どんな結果から見つ

シモーヌ・ヴェイユの研究者として、
ヴェイユ家の人々と度名古屋大学総長顕彰を受賞することができた。

かったといえるのかが説明されていく。

の心暖まる交流を紹介した。講演でカルティエ教授もI T化やグローバル化の進展に伴って、研究領域や事業領域の変化が日に日に激しくなっている。イノベー
ション創出には、複眼的なアプローチがますます必要とメンバーは意欲的で個性的な人ばかりであり、私も本当にわかりやすく書かれた解説書であり、著者ら指摘したように、2 1世紀の現代、数学の研究も研究者されている。慶應義塾大学にとどまらず、母校の次代を活動を通じてたくさんの刺激を受けている。今後も、活の苦心がうかがえる。本書が平易で面白すぎると感じ

人口の増大・国際化や計算機・インターネットの発達と担う研究者たちに、こんな「 一石投じ家 」の問題意識

躍する理系女性の輪を広げていきたいと考えている。

た方にはぜひ名古屋大学理学部の物理で学ぶことをいった社会情勢から大きな影響を受けている。このと思考法を伝授し意見交換してみたい。

あかりんご隊ホームページ
http://acalingo.jimdo.com/

おすすめしたい。

講演会の講演は、いずれも数学の研究と社会の関わりについて考えさせるものであった。

『ヒッグス粒子の見つけ方― 質量の起源を追う』
戸本 誠
花垣和則
山崎祐司 著
丸善出版 ／ 2012 年 12月発行
1900 円（ 税別 ）2012年10月6日・7日に名古屋市科学館で開催された「青少年のための科学の祭典」に参加した様子

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理学部交差点

ピエール・カルティエ教授

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