研 究 会 ・学 会 スケジュール

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］
winter _ spring 2022

編 集だよりド

第2 5回名古屋メダルセミナー

The 25th Nagoya Medal of Organic Chemistry

開 催 日 ： 2022年3月3日（木）開 催 場 所 ： オンライン
主催 ： 名古屋メダルセミナー組織委員会
共催 ： 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所
問い合わせ ： 伊丹健一郎 トランスフォーマティブ生命分子研究所
nagoya-medal@itbm.nagoya-u.ac.jp／052-788-6098

41

ラマの中の架空の研究者は、想定外の結果に出会ったとき、大抵「バカな、ありえない」と叫ぶが、実 際の研究 者は、「やった。これですごい 研究ができる」と喜ぶものである。アノマリー、すなわち標準
教授※参加登録URL：
https://www.msd-life-science-foundation.or.jp/symp/nagoya/nagoya_prog2022.html

第2 7回プラズマの数値シミュレーションに関する国際会議

27th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas

開 催 日 ： 2022年8月30日（火）～9月2日（金）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール（予定）主催 ： 渡邉智彦 理学研究科 教授
共催 ： 名古屋大学大学院理学研究科
問い合わせ 渡邉智彦 理学研究科 教授
watanabe.tomohiko@nagoya-u.jp／052-789-3934

的な理解と異なる結果は、全研究者の夢である。偉い先生が唱える理論も、矛盾する実験 結果・観測結果ひ
とつでゴミ箱行きであり、しかも「偉い先 生」本人がそれをだれよりも喜び、かつ自分で発見できなかった
ことを悔しがるのである。アノマリーは人類未探 査の領域にあるため、研究者は「極めて」や「初めて」が大好きである。アト秒は、光ですら原子の大きさしか 進
まない極短時間であるし、加速器 物理は高エネルギーや高統 計 が大好き、そして宇宙物理学者は未探 査の世界が大好きである。やっぱり研究は面白い。そして第15回日本ショウジョウバエ研究集会

15th Japan Drosophila Research Conference

その面白さの先にこそ、これまでの人類を支えてきた

開 催 日 ： 2022年9月12日（月）〜9月14日（水）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール、野依記念学術交流館（予定）主催 ： JDRC15 事務局
共
催 ： 名古屋大学大学院理学研究科
問い合わせ 上川内あづさ 理学研究科 教授
kamikouchi@bio.nagoya-u.ac.jp／052-789-2982

発見があったし、今後も人類に欠かせない多くの発見※ 「新型コロナウイルス感染症（COVID-19）における名古屋大学の活動指針」により、上記内容は変更になることがあります。

があると私は信じている。
（中澤知洋）

表紙説明
アノマリー（anomaly）とは、通常の法▶ バックナンバーはウェブからも入手できます
理学部・大学院理学研究科のウェブページにある広報誌サイトでも、すべてのバック
ナンバーがPDFファイルでダウンロードできます。こちらにもぜひアクセスをお願いいたします。

則・理論では説明できない事象を指す。
なぜこの事象は起こるのかを探求する
ことで、新たな科学の世界が見えてくる。
まずはアノマリーの向こう側をのぞいhttps://www.sci.nagoya-u.ac.jp/kouhou/backnumber.htmlてみよう。

▶ 名古屋大学のコロナ対策
新型コロナウイルス感染症が世界的に猛威を振るい、日本国内においても感染が拡大しています。政府において、新型コロナウイルス感染症対策の基本方針が策定されNo .41たことを踏まえ、名古屋大学でもさまざまな対応策を講じています。名古屋大学のwinter _ spring 2022

最新の活動指針については以下をご参照ください。

広報委員

組織図
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）
理学部（学科名）

大学院研究科（専攻名）
多元数理科学研究科

数理学科

多元数理科学専攻
理学研究科

関連施設等
附属南半球宇宙観測研究センター
附属タウ・レプトン物理研究センター
未来材料・システム研究所

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究所

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

生命理学専攻附属臨海実験所

名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

附属ニューロサイエンス研究センター

物理学科

編集発行

地球惑星科学科

地球環境科学専攻

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。

遺伝子実験施設

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。

生物機能開発利用研究センター
環境学研究科

阿波賀邦夫（研究科長）
寺﨑一郎（副研究科長）
嘉村 巧（副研究科長）
松尾信一郎（数理学科）
飯嶋 徹（物理学科）※委員長
中澤知洋（物理学科）
山川洋一（物理学科）
伏谷瑞穂（化学科）
杉山 伸（生命理学科）
平子善章（生命理学科）
杉谷健一郎（地球惑星科学科）
南崎 梓（素粒子宇宙起源研究所）
堂前弘樹（事務長）

広報委員会までご連絡ください。

宇宙地球環境研究所

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。

附属地震火山研究センター

事務部

博物館

技術部

減災連携研究センター

制作
編集協力
デザイン

「アノマリーからのぞき見る
新しい物理世界 」
04
08
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03

株式会社電通株式会社エスケイワード
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。

特集

2308

https://www.nagoya-u.ac.jp/

2 0 2 2 年 2月1 8日発 行

12ISSN 1884 _ 8486

18

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素粒子の「 香り」を使った新物理の探索◇ 飯嶋
地 下 か ら 探 る 宇 宙 暗 黒 物 質 ◇ 風間慎吾
時を語るもの〈 郷通子博士 〉◇ 由良

敬

理のエッセイ ◇ 棚橋誠治
理の先端をいく ◇ 加藤景子／田村陽一／岩見真吾
理学部交差点徹

時を語るもの◎理のエッセイ

益川敏英先生から学んだこと

郷 通 子 博 士 ＿ タンパク 質モジュール 構 造 の 発 見
郷通子博士は、タンパク質が三次元構造から識別される

棚 橋 誠 治 素 粒子宇 宙 物理 学 専 攻 教 授

1989年に名古屋大学に着任された当時、タンパク質の立「モジュール」とよばれるコンパクトな構造単位にあますとこ

体構造を「見る」ことは容易ではなかった。そのような中で、ろなく分割できること、さらにモジュールが遺伝子の塩基当時発達の途上にあったコンピュータグラフィックスを駆使

配列単位であるエクソンに対応することを見いだしたこと

して、タンパク質をコンピュータ画面に三次元表示し、即座で知られている。グロビンタンパク質の立体構造からモジューに回転させることを実現した。このとき初めて、原子が隙間ルを見いだした際に、過去のグロビン遺伝子に存在していなく詰まったモジュール構造を見ることができた。モジュールたイントロンの位置を予測し、後にその存在が証明されるの研究は、タンパク質グラフィックスの研究とともに歩みこととなった。このことで、モジュール／エクソンが組み合わ続けたといえる。

されることによってタンパク質が進化する機構を提唱した。

（由良敬

お茶の水女子大学教授）

ごう

郷

みち

こ

通 子（1939 - ）名古屋大学教授（1989-2003）
名古屋大学名誉教授（2003-）
中日文化賞（2004）
Illustration: Junichi Kishi

小林・益川理論の提唱により2008年にノーベル物理学賞を受賞し、名古屋大学素 粒子宇宙起源研究機構（KMI：Kobayashi-Maskawa Institute）の初代機構長を務めた益川敏英特別教授が 2021年 7月23日にご逝去されたとの知らせをうけ、悲しみにたえない。心から哀悼の意を申し上げる。
益川先生に初めてお会いしたのは、私が修士課程の学生であった 1987年か
1988年だと記憶している。当時の私は、山脇幸一先生の指導のもと、対称性の力学的破れとよばれる分野の研究をスタートさせたところだったが、この分野のバイブルともよべる論文が、益川先生らの一連の研究（益川・中島理論）であった。
この理論は、物理の内容としても数学的な手法としても大変に重厚な研究であり、益川・中島理論に関連して最初の研究を始めた私は大変に幸運だった。
しかし、当時の私は、この理論の数理構造の面白さだけを見ていて、その物理的意義の重要性については、それほど重視していなかった。そして、京都大学
基礎物理学研究所で行われた研究会で、あこがれの益川先生から研究の動機を問われた際、なんと私は「解の構造を調べてみただけ」という、物理の研究としてはあり得ない返答をしてしまった。益川先生はその際、「正直すぎる」と一言おっしゃり、数理構造の面白さだけでなく、物理としての重要性を考えねばならないことを、学生の私にとても柔らかく諭してくださり、以降の私は物理の◇写真の説明原子の位置を「見る」ためには距離計 算の大切さを肝に銘じることになった。

結果を抽象的なグラフで表 示するか、一部

この話から30年近く後、名古屋大学理学部素粒子論研究室（E研）で益川先生の 化 学結合のみを線 図で描くしか方法はが行った講義も印象深いものだった。著者のイニシャルをつなげてBKMU構成なかった。コンピュータグラフィックスにより原子を空間充 填 模 型で 表 示 するとともに、リアルタイムで回転させることができるようになった。このことでモジュールの 全体 像 が 明らかになったが、論 文 紙 上で回転させることはできず、ひきつづき線図の法とよばれる数学的手法についての講義であったが、益川先生の物理的直感あるいは信念ともよべるものを契機に、この構成法の研究が始まったことを知った。
自分の物理センスを信じて考え抜くことによって高度に数学的な内容の研究を進めることができること、その大切さを改めて学んだように思う。

ステレオ表 示が 利用された。ステレオ図を裸眼で見ることは訓練が必要であり、容易に見るためのステレオスコープも利用されていた。紙面のみの当時 の学 術 誌 ではモジュールの 全 体像を伝えることはできず、もどかしさを感じ続けていた。

02

時を 語 るもの

Masaharu Tanabashi

1964年生まれ。1992年、名古屋大学大学院理学研究科博士課程修了。
博士（理学）取得。高エネルギー物理学 研究 所日本 学 術振興会 特別研究員、客員研究員、助手、東北大学大学院理学研究科助教授を経て、2007年より現職。専門は素粒子理論。とくに素粒子現象に興味をもち、標準模型を超える物理の可能性について、理論研究を行っている。

No.41 winter-spring 2022

03

特集

アノマリーからのぞき見る新しい物理世界

自然 科 学の研究では、従 来の通 説では説 明できない「 新 奇 現 象 」が見つかることがある。
新 奇 現 象＝アノマリーが見つかった時こそが、科 学が躍 進 するチャンスだ。
たとえば惑星の軌道が逆 行 する現 象は天 道 説から地 動 説 への転 換につながった。
最 近では1964年に見つかった粒 子と反 粒 子の性 質の違いから、
小 林 - 益川の研究を経て、未 知の素 粒 子が発 見された。
アノマリー。それは見たことのない物 理 世 界 への入り口なのかもしれない。

素粒 子の「香り」を使った新物 理の探索
飯嶋

図1

徹 素粒子宇宙起源研究所教授

標準理論を構成する素粒子

クォーク、レプトンはそれぞれ 6 種類あり、質量が大きく異なる 3つの世代に分類される。本文に登場するB中間子は反ボトム・クォークとダウン・クォークで構成される複合粒子、反 B
中間子はその電荷を反転させた反粒子である。

素粒子の「香り」と「アノマリー」

トリーは世界最高の衝突輝度（ルミノシ

りなのだろうか。標準理論は、これまでに素粒子物理学は、我々の宇宙を構成する新物理の兆候ではないかと、世界中のティ）を有する最先端加速器である。

見つかっているほぼすべての素粒子現象

る最も基本的な粒子と、粒子の間に働く力

研究者が注目している。本稿では、このア1999 年に運 転を開始した初 代 Bファを無矛盾に説明可能な優れた理論である（相互作用）の法則を明らかにすることをノマリーの話題を中心に、我々が進めてクトリー加 速 器（KEKB）における実 験が、力はどのように統一されるのか、宇宙目的としている。現在のところ、物質を構いる粒子の香りに注目した研究を紹介し（Belle 実 験）の目的は、小 林 - 益 川理 論にはなぜ物質のみがあり反物質が見当た成する基本粒子であるクォークとレプトン、たい。

（1972年発表）の証明であった。小林 - 益

らないのか（宇宙の物質優勢）、宇宙観測

川両氏は、K中間子の崩壊で発見されてから存在が明らかな暗黒物質の正体は何い力）を伝えるゲージ粒子の存在が知ら

Toru Iijima

04

特 集 ＿ アノマリーからのぞき見 る 新しい 物 理 世 界

高エネルギー加速器研究機構（KEK）で進むBファクトリー実験

現在は、K EK B/ Belle実 験を改 造したSuperK EK B/ Belle Ⅱ実 験が進んでいる。
（写真提供：KEK）

この異常（アノマリー）が標準理論を超え

3種類の相互作用（電磁気力、強い力、弱1964年生まれ。1987年 京都大学理学部卒業、1994年 京都大学大学院理学研
究科物理学第二専攻単位取得退学、1995年 博士（理学）。1994年 高エネルギー
物理学 研究所（現高エネルギー加速器 研究機構）助手、2002年名古屋大学大学院理学 研究科助教授（准教授）を経て、2010年より現職。専門は、素粒子物理学実験。加速器を使ったクォークやレプトン反応の精密測定から標準理論を超える新物理の探索に取り組んでいる。

図2

いた粒子と反 粒子の対 称性の破れ（CPなのか、といった疑問に答えることはできれ、各粒子に質量を与えるヒッグス粒子のまずBファクトリーについて書いておこ対 称 性の 破れ）を説明 可能な理 論を探ない。そこで、標準理論はこれまでの加速存在も確かめられた。図 1に示すように、う。Bファクトリーは、茨城 県つくば 市のり、当時知られていなかった第 3世代のクォークとレプトンはそれぞれ 6種類あり、

高エネルギー加 速 器 研 究 機 構（KEK）

素粒子の存在を予言した。第 3世代のボ

この粒子の種 類を素 粒子研究者は習慣に設置された周長約 3kmの大型加速器

トム・クォークとトップ・クォーク、タウレ

的に「フレーバー」、日本語では「香り」とである。光速で周回する時計回りの電子

プトンとタウニュートリノ＊1の存在はそのよんでいる。表題にある素粒子の「香り」

ビームと反 時計周りの陽電子（プラス電後の加速器実験で次々に確かめられた。

とはこのことである。また 6種類の粒子は荷をもつ電子の反 粒子）を高頻度で衝突

そして、第 3世代のボトム・クォークで構

大きく質量が異なる 3つの「世代」に分類させるコライダー加 速 器である（図 2）。

成されるB中間子と反 B中間子の崩壊にされる。

Bファクトリーと小林-益川理論の証明

衝突した電子と陽電子は対消滅し、そのおけるCP 対 称性の 破れが小 林 - 益 川理

これらの素粒子のふるまいは標準理論

エネルギーから「B中間子」とその反 粒子論と整合していることが定量的に確かめとよばれる理論で定量的に記述することである「反 B中間子」が大 量に対生 成さられ（図 3）、これが決定 打となって、両ができるが、はたして標準理論は完全なれる。ここで、B中間子は第 3世代のボト氏の 2008 年ノーベル物理学賞受賞につのか。これまでに測定されている素 粒子

ム・クォークを構成子とする中間子で、こながった。

現象は、ほぼ標準理論で無矛盾に説明さのために「B 工場＝Bファクトリー」とよれてきた。ところが、最近になって、我々ばれている。世界のコライダー加速器としスーパーBファクトリーでが進める「Bファクトリー」とよばれる高エては、ヨーロッパのCERNにある加速器

小林-益川理論を超える

ネルギー加速器実験をはじめとして、粒子

LHC（Large Hadron Collider）が世界

さらに、2012年には、標準理論で唯一の香りに着目した実験結果が標準理論か

最高エネルギー（重心系で 13テラ電子ボ

未発見となっていたヒッグス粒子が LHCらの乖離を示す例がいくつか見出された。

ルト）を達成しているが、日本のBファク

実験＊2 で発見された。しかし、これで終わ

図 3 KEKB/Belle実験における
小林-益川理論の検証結果
B中間子がJ/ψとよばれる中間子とK中間子に壊れる頻度をB中間子（青）と反B中間子（赤）で比較したもので、
粒子-反粒子の対称性の破れが明確に測定された。
（図提
供：KEK/Belle実験）

No.41 winter-spring 202205

特 集_アノマリーからのぞき見る新しい物理世界器で到達可能なエネルギー領域での有効からのズレや、標準理論では禁止された理解できる（D中間子はチャーム・クォー

理論であり、より高いエネルギー領域によ反応の探索を進めることができる。どこをクを構成子とする中間子）。ただし、B中

り包括的な新しい物理があると考えれば探すのがよいかは研究者の考えによる。

間子の崩壊の場合は、終状態の荷電レプどうか。たとえば、よく知られている超対

そこで、筆者らが注目しているのが、荷電トンは電子に加えて、ミュー粒子、タウ粒

称性理論は、これらの諸問題を説明可能

レプトン（電子、ミュー、タウ）の香りに着子の３モードがある（B→Deν,B→Dμν,

な有力候補である。ただし、新物理の理目した研究である。標準理論においては、

B→Dτν）。標準理論どおりであれば、こ論を特定する明確な理由はなく、実験に各世代の素粒子は、世代ごとに大きく異なの 3モードは荷電レプトンの質量に依存す

よってその端緒を探る必要がある。

る質量を有する以外は第 1世代のコピーでる運動学的因子を除いては同じ強度で起そこで、筆者たちはBファクトリーの 50あり全く同じ性質（普遍性）をもつとされ、こるが、新物理があればそのバランスが崩倍のデータ蓄積が可能なスーパーBファク

これまでの実験結果はそれを支持してきれるだろう。特に第 3世代のタウレプトン

トリー実験を提案し、現在実験を進めてた。しかしながら、このことは標準理論をは第 1世代の電子、第 2世代のミュー粒子のズレ（偏差）は世界平均をとると 3σ以子ビームと陽電子ビームを数十ナノメート

あり、今後加速器の調整を繰り返し実際いる。この大量のデータで、B中間子のさ超える新物理が存在する場合には自明でに比べて際立って大きな質量をもつため、上であるが、このレベルでは統計的なふらルの極細ビームに絞り込むことで達成するの衝突実験で初めてわかるいろいろな問

まざまな崩壊を高精度で測定することにはない。たとえば、LHCで発見されたヒッ

新物理の効果も受けやすい。この研究は、つきの可能性も残る。これを「発見」とす（「ナノビーム衝突方式」とよばれる）。衝

題を解決しながらルミノシティを徐々に上より、標準理論からのずれ、標準理論でグス以外の第二のヒッグスが未発見のま国外でも精力的に進められ、米国SLAC

るには測定精度を格段にあげて 5σ（確率突頻度の大幅な増加に伴い測定器の改良

げ、今後 5年間に山の中腹（5から10倍）そは起こらないような反応を見つけるのが狙

ま潜んでいれば、粒子は質量以外にも世のBaBar実験やCERNのLHCb実験でもで 99.9999%以上）のズレを確かめる必要も必要となる。
「Belle Ⅱ」と改名された測して 10年後ぐらいに山の頂上（50倍）を目いである。たとえば、これまでのデータは、代間で異なる性質をもつ可能性がある（普B→D(*)τν崩壊における普遍性の破れのがある。

定器には、我々名大研究チームが独自に指してゆく。

観測されたCP対称性の破れの小林-益川

遍性の破れ）。

兆候が見えている。これ以外にも、B中間

このアノマリーが確定すれば、標準理論開発した新型粒子識別装置「TOPカウン

図6

Belle Ⅱ測定器

粒子 の崩 壊 位 置、飛 跡、エネル
ギーや速度を測る 7 種 類の検出器で構成される。名古屋大グルー
プ は 粒 子 の 速 度を高 精 度 で 計
測 可 能な 新 型 粒子 識 別 検 出 器「TOPカウンター」を独自に開発
し、建設を中心になって進めた。

理論との整合性を測定誤差の範囲で示し

実際に、B中間子の弱い相互作用によ子がK中間子とミューオン対あるいは電子では起こらないような反応も見つかる可能ター」がインストールされている（図 6）。こてはいるが、これを格段に高い精度で測る崩壊（図 4）において、筆者らが中心に対に変化する稀崩壊 過程の比較(R(K(*))

性がある。電子と陽電子の衝突では、B中の検出器は高速の荷電 粒子が石英輻射

本稿では、Bファクトリー加速器を舞台定できれば、標準理論からのズレとして新なって進めたBelle実験データ解析の結果=Br(B→K(*)μ+μ-)/ Br(B→K(*)e+e-))に間子対だけでなく、それとほぼ同数のタウ体を通過した時に発生するチェレンコフ光とする素粒子の香りに着目した新物理探

物理の証拠が浮かび上がるかもしれない。

は、普遍性の破れの兆候を示している。こおいても普遍性の破れの兆候が報告されレプトン対（τ+τ-）も大量に生成される。

の光子一つ一つが石英中を全反射しなが索の研究を紹介した。この研究は、3世代の崩壊は、よく知られた中性子が陽子＋電ている。これらの乖離は深刻に受け止め

そこで、筆者ら名大研究者は、スーパーB

ら端面に到達するまでの伝搬時間（Time-

モデルを提唱した小林 - 益川理論の流れ

子＋反ニュートリノに崩壊するベータ崩壊

られ、「B中間子アノマリー問題」と総称さファクトリーを「スーパータウファクトリー」

Of-Propagation）を約 50ピコ秒の高時間を汲む名大発の研究である。近年の高エB中間子の崩壊にはさまざまな崩壊パ（n→peν）と本質的に同じであり、中性子れる喫緊の課題として世界的に注目されとして捉え直し、第 3世代のタウレプトン

分 解能で計測するもので、ほぼ光速で飛ネルギー加速器実験は大規模な国際共同

ターンがあり、そのそれぞれで標準理論をB中間子、陽子をD中間子に置き換えてることとなった。観測された標準理論からが第 2、第 1世代のミュー、電子に変化す

来するK中間子をπ中間子などの他粒子と実験となり、Belle Ⅱ実験には世界中の 26

る崩壊の探索を進めている（τ→μγ、τ

識別することができる。これにより、B中の国と地域から約1100人の研究者が日本→e γなど。γは光子を表す。図 5）。このよ

間子の崩壊を高い効率で測定し、新物理に集結して共同研究を進めている。そのよ

うな崩壊は、「レプトンの香りを破る崩壊」

探索の感度も高めることができる。また、

うな大規模研究のなかにあっても、独自のとして、標準理論では禁止されている。一

高頻度衝突により生成される大量の反応

アイデアによる技術開発、データ解析で名方、中性のレプトンであるニュートリノでデータ解 析には、ネットワークでつなが古屋発、日本発となる新発見を目指したい。

は、3世代間の変化がすでに発見されておれたグリッド計算機網による並列処理がり（ニュートリノ振動＊3）、荷電レプトンに必要であり、名古屋大学理学研究科の高おける同様の探索は重要な研究テーマとエネルギー物理学データ解析実験施設、考えている。

KMIタウレプトンデータ解析室の計算機

新物理の鍵はタウレプトンか

図 4 B中間子の弱い相互作用による崩壊（上）における、相互作用の普遍性の検証結果（下）R(D*): B → D* τν崩壊頻度 /B → D* μν崩壊頻度

下の図の横軸は、B→Dτν崩壊とB→Dμν崩壊の頻度の比。縦軸は同じ比を崩壊の終状態D中間子が励起状態D*の場合に示したもの。Belle実験の結果とともに、BaBar実験、LHCb実験の結果が示されている。赤い楕円が世界平均の1σの範囲を示す。下図は、Heavy Flavor Averaging Group（HFLAV）による。

がそのための重要な役割を担っている。

図5

レプトンの香りを破る反応

中性レプトンのニュートリノでは３世代間の変化（ニュートリノ振動）が観測されている。荷電レプトンでの同様の変化は、標準理論では起こらないとされるが、新物理があれば見つかる可能性がある。
R(D): B → D τν崩壊頻度 /B → D μν崩壊頻度

スーパーBファクトリーの現状とこれからSuperKEKB/Belle Ⅱ実験は、2019年

スーパーBファクトリー実 験でBファク

3月から本格的な衝突データの収集を開始

トリーの 50 倍 のデータを蓄 積 するためし、2020年夏にはKEKB加速器の性能をに、KEKB 加速 器 の運 転は 2010 年に終超え、世界最高ルミノシティを達成、2021

了し、30 倍のルミノシティが達成可能な年夏までに約2億対のB-反B中間対のデー

SuperKEKB 加 速 器 へ の改 造 が 行われタを蓄積している。しかし、これはまだ登た。30倍のルミノシティは、衝突点での電山にたとえれば最初の坂を登った程度で

高 エ ネ ル ギ ー 素 粒 子 物 理 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

06

特 集 ＿ アノマリーからのぞき見 る 新しい 物 理 世 界

名大発・日本発の世界的発見を＊1 タウニュートリノ
素粒子標準模型における第三世代のニュートリノ。名古屋大学理学部基本粒子研究室独自の原子核乾板を使ったDONUT実験で確認された。
＊2 LHC実験
高エネルギー物理実験を目的としてCERNが建設した世界最大の衝突型円形加速器を使った実験（本誌25号P.8
参照）。
＊3 ニュートリノ振動
生成時に決定されたニュートリノのフレーバーが、後に別のフレーバーとして観測される素粒子物理学での現象（本誌 30号P.8参照）。

http://www.hepl.phys.nagoya-u.ac.jp
No.41 winter-spring 202207

特 集_アノマリーからのぞき見る新しい物理世界

地下から探る宇宙暗黒 物 質
風 間 慎 吾 素粒子宇宙起源研究所准教授
図1

液体キセノン検出器の動作原理

暗黒物質と液体キセノンが相互作用した際に生成される蛍光（S1）と電離電子による比例蛍光（S2）の 2つの信号を検出することで、事 象毎の粒子識別（電子or原子核反跳）が可能である。

探索が行われてきた。しかし、新物理を示

安定している（宇宙年齢より長寿命）など、

電子は、周りの原子を励起・電離し、その質量の起源を担うヒッグス粒子の発見

唆する確かな証拠はこれまでになく、素粒その性質について判明している点もある。

際に光や電離電子が生成される。この信により素粒子物理学における標準理論は

子物理学は岐路にあると言える。筆者は、

しかし、これら性質を満たす素粒子は標号を高感度な検出器でとらえることで、暗完成をし、その質量は約 125GeV/c 2 と見この状況下において次の時代を切り開く

準理論の枠組みには存在せず、暗黒物質

黒物質の正体解明が可能となる（図 1）。た

積もられたが、標準理論の枠組みではヒッ鍵となるのは暗黒物質であると考えた。

は標準理論を超えた物理を探る上で大きだし、話はそう単純にはいかない。なぜなら、グス質量は輻射補正を受け 2次発散をす

暗黒物質とは、質量はもつが光学的にな鍵を握っていると考えられる。

暗黒物質と物質の反応頻度は非常に少なるため、この発見自体がその質量を安定は観測できない未知の物質のことで、宇では、そんな謎に包まれた暗黒物質をどいためである（1トンサイズの標的を用いて化する新物理の存在を示唆している。超宙マイクロ波背景放射の観測結果によると、のように探索するのか。仮に暗黒物質がも年に数回あるかないか）。そのため、暗対称性理論など標準理論を超える模型は宇宙全体の物質のうち暗黒物質が 80%以標準理論の弱い相互作用と同程度の相互黒物質の発見には、偽の暗黒物質信号とテラスケールに新物理を予言し、重心系エ上を占めることが判明している。暗黒物質作用をもつとすると、わずかな確率であるなる環境放射線や宇宙線の影響を極限ま

ネルギー13 TeVで稼働を始めた陽子-陽はその正体の詳細は不明であるが、電荷が原子中の原子核や電子と相互作用し、で低減する必要がある。暗黒物質の直接

前述のように、暗黒物質がキセノンと相99.8%以上である。暗黒物質探索の大き

子衝突型加速器LHCを用いてさまざまなをもたない・冷たい（非相対論的速度）・

これらを反 跳する。反 跳された原子核や探索とは、言い換えれば究極の低放射能互作用するとシンチレーション光（S1）とな背景事象の一つに放射性ラドン（222Rn）

検出器の開発ともいうことができる。

電離電子が生成される。S1信号は検出器の娘 核 214 Pbのβ崩壊 事 象があるが、こ暗黒物質の直接探索

Shingo Kazama

08

特 集 ＿ アノマリーからのぞき見 る 新しい 物 理 世 界

左側が直径 10m、高さ10mの環境放射線遮蔽用の水タンク。水タンクには液体キセノン検出器の様子がわかるように検出器が描かれた垂れ幕がぶら下がっている。右側は冷凍機、キセノン純化システム、データ取得サーバーを備えた 3階建ての建屋。キセノン
中に微 量（ppb–ppm）に含まれるクリプトンを除去するための蒸留塔は高さ5.5mもあり、1階から 3階まで突き抜けている。

さまざまな利点があるためである。

法による、原子核・電子反跳の識別能力は著者が着目した標的は、希ガスのキセ

上下に配置された光電子増倍管（PMT）の S2/S1の 信 号比を用いることで 大 幅

ノンを-100℃まで冷却した液体キセノンでにより検出され、電離電子は液中に印加

な削 減 が 可 能となる。この高 い電子反ある。著者は、液体キセノン 3.2トンを用いされた電場によって上方向にドリフトする

跳 排除能力によりX ENON1T 実 験 では、た暗黒物質探索XENON1T実 験に 2016

（図 1）。液体と気体の間には約 0.7eVのポ

原 子 核 を反 跳 する 暗 黒 物 質（Weakly-

年より日本人としてただ 1人加わり、これま

テンシャルが 存在するため、約 10kV/cm

Interacting Massive Particle, WIMP）

で世界最高感度の探索を牽引してきた。

の高電場を用いて電子を液体から気体へに対して高い感度を達成してきた。従来実本 稿 では、このXENON1T 実 験 で見つ引き出す必要がある。気体 相では電子数験ではこのWIMPに焦点が当てられ感度

かった電子反跳の超過事象（アノマリー）に比例した蛍光（S2）が発生し、この信号を向上してきたが、今回見つかったアノマについて解説したい。

をさらにPMTで読み出す。S1とS2の時間

リーは電子反跳事象（電子や光子とのみ差は電離電子のドリフト時間に相当し、相互作用をし、原子核とは相互作用しな

これが反 応点のz方向情報に相当する。

い）であるという点を強調しておきたい。

XENON1T実験

1985年埼玉県生まれ。2014年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了。博士（理学）取得。高エネルギー加速器研究機構博士研究員、チューリッヒ大学博士研究員、名古屋大学高等研究院YLC助教を経て、2021年 11月より現職。専門は素粒子実験。暗黒物質やアクシオンなど、標準模型を超える物理の探索に取り組む。

図 2 イタリア・グランサッソ
地下実験施設のXENON1T検出器

XENON1T実験（図 2）は、液体キセノン

また、S2信号の上部PMTアレイのヒット

3.2トンを用いた検出器で構成され、山頂分布からxy平面での反応点を得ることがでから1400メートルの深さにあるイタリアのき、これにより反応点の 3次元位置再構成

電子反跳事象の探索では、イベントトポ

グランサッソ国立研究所地下施設で 2016

が可能となる。位置再構成精度はO(1)mm

ロジーとして 1つのS1・S2ペア信号が要求

年に運転を開始し 2018年に終了した。現程度である。

され、エネルギー範囲は検出効率が 10%

電子反跳超過事象の発見

在、液体キセノンを用いた実験が暗黒物

原子核反跳では、生成された電離電子となる1keVから放射性物質由来の背景事

質探索において世界をリードしているが、がキセノンイオンと再結合する割合が多く、象（ガンマ線）が主要な領域となる210 keV

これはキセノンには暗黒物質との散乱断S2信号量は電子反跳と比べて小さくなる。

までが用いられた。標的の有効質量は検出面積が高い、シンチレーション光量が多い、

そのため、S1とS2の比を見ることで、入射器壁からの背景事象の寄与を減らすため、

外部放 射線に対 する阻 止能が 高いなど粒子を識別することが可能となる。この方検出器の内側のみ（約1トン）が用いられ、No.41 winter-spring 202209

特 集_アノマリーからのぞき見る新しい物理世界

事象数 （/ トン・年・k e V ）（ b）トリチウム

事象数 （/ トン・年・k e V ）（ a）太 陽アクシオン

エネルギー［keV］
図3

エネルギー［keV］

電子反跳エネルギースペクトラムに対するフィット結果

図4（a）はB0に太陽アクシオン模型を加えてフィットした結果で統計的有意性は 3.4σ。
（b）はB0にトリチウムを加えてフィットした結果で統計的有意性は 3.2σ。
2つでエネルギースペクトラムの形状の違いから、アクシオンの方がより超過に合う結果となっている。

を表し、黒点は観測データを表すが、1-7

観 測 合 計 時 間 は 約 227 日（2017 年 2 月

空気の混入、ステンレス真空容器に吸蔵

g ae -g aγ平面内でのフィット結果

図5

青い領域が超過を説明可能なパラメータ領域であり、他の実験（LUX, PandaX-Ⅱ）
や天体観測に基づく制限（red giant, white dwarfs, HB stars）も示す

gaγ→ 0の極限でgaeの期待される値は示し、-12ニュートリノ異常磁気能率に対する制限超過を説明する範囲は、天体観測の制限（球状星団や白色矮星など）と矛盾が見られる。

significance）の統計的有意性で好まれるとで 放 射 性 不 純 物 由 来 の 背 景 事 象を結果となっている（図 6）。

XENON1Tの約 20%に低減することが可

keVの範囲でデータがB₀を有意に超過しされた水素の放出といった可能性を検討

3×10 となっていることがわかる。ただし、ている様子がわかる。この領域での背景した。その結果、化学形態として水での混

この領域は天体観測による制限（赤色巨は放 射 性ラドンの娘 核（ Pb）のβ崩壊

事象の予測は 232±15事象であるのに対入はないが、水素の形での混入は否定も星や白色矮星など）により既に否定されて事象であり、検出器部材からのラドンのして、観測された事象数は 285事象であり、肯定もできないことが判明した。これは、おり、矛盾した結果となっている。ただし、発見されたアノマリーは太陽アクシオン、ルの形状の違いから太陽アクシオンとトリ

湧き出しのため検出器中に一様に存在する。

これは 3.3σの超過に相当する。

水がわずかにppb程度でも検出器中に混逆プリマコフ効果の寄与やこの制限を回

ニュートリノ異常磁気能率、ALPsからのチウムを区 別でき、2022 年 度 初 旬には入してしまうと暗黒物質との相互作用で生避する理論的な解釈も進行中であり、確信号を仮定すると説明が 可能であるが、

XENON1Tで見つかったアノマリーが新成されたS1光が吸収され、その検出効率

実な決着は未だついていない。

極微量トリチウムの可能性も否定できず、物理に由来するかどうか決着がつくものとその決 着は未だはっきりとしない状況と期待している。著者は解 析グループの責なっている。

任者としてこの解析を主導しており、楽しく-2018年 2月）であった。
低エネルギー領域での主要な背景事象
214

214

214

Pbの放射能は、 BiPoの遅延同時計測や218

Poのα崩壊事 象から推定が 可能で新物理の発見か未知の背景事象かが著しく低下してしまうが、水素であれば能である。これにより、XENON1T実験の電子反跳事象探索の今後

1/3の約 3カ月の観測でエネルギースペクト

あり、約10μBq/kgと評価された。これは超過事象はどのように解釈できるのだ

非常に僅かなラドン量であるが、使用する

ろうか。まず考えたのが、予想せぬ背景事

検出器部材を徹底的にスクリーニングし象の寄与である。その一つとして水素の放トリチウム混入の可能性は完全には否行い、どちらがより超過に合うのか検証を

XENONnT実験は、XENON1T実験をも忙しい時期を送っている。仮に再び超（小さなネジ一本まで）、高純度な部材のみ

射性同位体であるトリチウム（半減期 12.3

定できないが、本 研究ではもう一つの可行った。その結果、アクシオンとトリチウム

4倍大型化した後継実験であり、今まさに過が現れた場合には、信号量の時間変動を用いた検出器を実現したおかげである。

年でQ値 18.6keVのβ崩壊）が考えられる。

能性として標準理論を超えた物理（太陽で分布の形状が異なるため、トリチウムの電子反跳事象の観測を行っている最中でを測定することで、その起源（太陽・銀河

次に主要な背景事象はクリプトンの放 射 性

トリチウムは、その量が推定できない放射

アクシオン、Axion-Like Particles（ALPs)、

寄 与はほぼゼロとなることが 判明した。

ある。XENONnT実験では、電子反 跳事中心）など背後に潜む物理を解明してい性不純物で、これまで考慮されてこなかっ

ニュートリノの異常磁 気能率）の検 討もこの事実は、さらに統計を貯め主要な背景

象の統計精度が 1桁上がり、新たに開発しきたいと考えている。

85

同 位体（ Kr）のβ崩 壊 事 象である。市

その影響を受けないためである。

行った。

また解 析では、太陽アクシオン模型とトリチウム仮説を両方考慮したフィットを214

販のキセノンガス中には 1ppm程度のクた背景事象である。超過がトリチウムに起リプトンが 含まれているが、XENON1T

因していると仮定しフィットを行うと、図 3

アクシオンは標準理論の粒子に対して

実験ではこれを除去するため蒸留塔の開（b）に示されるように、トリチウムのβ崩

3つの結合（gae ,gan ,gaγ）をもつことが知ら発を行った。これにより選択的なクリプト

壊分布は良くデータと合っており（3.2σ）、れている。太陽中でも、この結合に対応しニュートリノ異常磁気能率やALPsの場

ン除去が可能となり、最終的に 1ppt以下

159事象/（トン・年・keV）のトリチウム量て異なる生成過程があり、本解析では原子合の解釈も行った。ニュートリノ異常磁気まで削減可能となった。1­-30keVでの背景を示唆する。これはキセノン1kg中に約3個の脱励起・電子の制動輻射・光子のコンプ能率を仮定した場合、μν∈ (1.4, 2.9)×

-25

事象である

57

Pbを排除することで、分布の形 状の違いからトリチウム仮説を棄却できることを示唆している。

事象量は約 76事象/（トン・年・keV）と見トリチウムが含まれており、10 程度の濃トン散乱（ABC）、 FeのM1核遷移、プリ

10 -11μB (μB:ボーア磁子)が超過を説明す

積もられ、世界で最も背景事象が少ない

度比に相当するが、残念ながら既存の技

マコフ効果を取り入れた解釈を行った。

る範囲となるが（図 5）、こちらも天体観測

検出器の実現に成功した。

術ではこの微量の定量は不可能である。

図 3（a）は、太陽アクシオン模型を考慮しの制限（球状 星団や白色矮星など）と矛得られた電子反跳エネルギースペクトラ

次に考えたのが、極微量トリチウムが一体たフィット結果を示しており、超過を良く盾が見られる。一方でALPsの解釈は、天ムの低エネルギー領域でのふるまいを図

どの様に検出器中に混入したかである。

説明できていることがわかる（3.4σ）。図 4

体観測からの制限とは矛盾がなく、約 2.3

特に、宇宙線によるキセノン原子核破砕、はgae -gaγ平面で超過を説明可能な領域を

keVの 質 量をもった 信 号 が 4.0σ（local3に示す。B₀（ 灰色線）は背景事象の予測

宇 宙 線 物 理 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

10

特 集 ＿ アノマリーからのぞき見 る 新しい 物 理 世 界

たラドン除去のための蒸留塔を用いるこ
図 6 Axion-Like
Particles（ALPs）に対する制限
黒 線 が 実 験 結果を表し、2keV付近に超過があることがわかる。

https://www.isee.nagoya-u.ac.jp/CR/
No.41 winter-spring 202211

理 の 先 端を いく Ⅰ

10 0京分の1秒の超高速に迫る

名古屋駅
〜東京駅
（260km）

加 藤 景 子 物質理学専攻准教授

ウイルス

図2

図1

ポンプ・プローブ法の実験装置図

実 験では、試 料にポンプ光とプローブ光とよばれる 2つの光を試 料 へ照射する。
試料から反射されるプローブ光の反射強度を 2つの光の時間差（Δt）の関数として計測する。

異なる時間領域における動的現象と光の進む距離との関係

それぞれの時間領域における動的現象を観測するためには、その現象が起きる時間より短い時間幅の時間分解能を有する計測手段が必要となる。

（b）

（c）

380 フェムト秒

反射率変化［任意単位］（a）

図 3 極端紫外領域超短パルス光発生装置と同光による時間分解反射率計測結果（a）極端紫外領域 超短パルス光発生装置の写真。
（b）極端紫外領域
超短パルス光発生手順。高強度近赤外超短パルス光を、希ガス（写真中央の管）へ集光すると、高次高調波発生過程を通じて極端紫外領域超短パルス光を得ることができる。さらに入射パルス光の時間幅や位相、偏光を工夫することでアト秒の時間幅の極端紫外光が 得られる。
（c）ビスマス薄膜の極端紫外領域時間分 解反射率。実 験では膜
厚 20 0nmのビスマス単結晶薄膜に近赤外ポンプ光（時間幅 20fs、中心波長 780nm）を照射し、電子およびフォノンを励起する。続いて極端紫外プローブ光（波長 35 - 60nm）を照 射し、プローブ光の反 射率を遅延時間の関数として計測した。380フェムト秒の周期で振 動する
信号はビスマスのフォノンに由来する信号。挿入図は原子の動きを表した図。
（Kato et al., Opt. Express vol. 28,1595（2020））

遅延時間［フェムト秒］

Keiko Kato

2006年 3月東京大学理学系研究科化学専攻にて博士（理学）取得。物質・材料研究機構博士
研究員、NTT物性科学基礎研究所リサーチアソシエイト、同研究所にて研究員、研究主任、主任研究員を経て 2021年 1月より現職。専門は固体の超高速分光。

よって決まる。現在、市販のレーザーのパるために取り扱いが困難であり、市販の計さまざまな試料のアト秒時間領域の超高

ルス光の最短の時間幅は 10フェムト秒程

測器を用いた研究が大半であった。よって

速ダイナミクスを明らかにすることができ度である。さらに、高次高調波発生過程とこれまでは、数 100nm程度の薄膜試料のる。今後は時間分解能をアト秒へと高め、

いう非線形現象を使って極端紫外領域へみを対象とした吸収計測か、試料表面清

光照射によってできる電子や正孔ダイナミ

波長変換をすれば数 10～数 100アト秒ま浄 化のための高温 加熱処理が必要な光

クスの観測を通じて光電流過程の発生機で時間幅を短くできる。我々は、アト秒や電子計測に限られていた。

構の解明に取り組む。そして、光電変換デフェムト秒の超短パルス光を使い、固体の＊1

電子や原子の動きを捉える

そこで私は、アト秒時間分 解計測法のバイスの機能改善や新機能の開拓につな

キャリア（電子や正孔）やフォノン のダイ

汎用性を高めるために、極端紫外領域にげたい。

ナミクスを観測することに挑戦している。

おける高感度時間分解反射率計測の開発

アト秒時間領域の超高速過程はさまざ

超高速の世界は 0.3μmだけ進む（図 1）。秒速 30万km「超高速」という言葉から皆さんはどれの光でさえもこの程度の距離しか進むこ

では、このような「超高速」の世界を調そしてアト秒・フェムト秒の時間領域の超を行った（図 3）。実験では、反射配置を取

まな系において最初期過程を担い、そのくらいの時間を想像されるだろうか。たととのできない時間、それがアト秒、フェムト

べるには、何を使えばよいのだろうか。そ高速過程を理解することは、我々の目の前ることで試料形状を問わず、前処理不要

後に続く過程を支配する。アト秒の超高速

えば、スマートフォンのカメラのシャッター秒という時間である。

の一つの答えがパルス光を用いたポンプ・の世界を変える可能性があることが最新で計測可能とした。一方、極端紫外領域での世界から物理・化学・生命現 象の起源の研究によって明らかになりつつある。

は試料表面の凹凸の影響を受けやすいたを理解し、我々が享受する世界をより豊かめ、反射光強度が低かった。そこで低いなものとしたい。

は 1000分の1秒程度まで短くできる。つまでは、アト秒～フェムト秒の超高速の世

プローブ法である（図 2）。ポンプ・プロ―

り我々が目にする日常生活は、1000分の

界ではどのような現象が起きているのだろブ法では、1つ目のパルス光で試料を励起1秒程度の時間で起きる動きでおさまってうか。たとえば太陽電池に光が当たり電子（ポンプ）した後、遅延 時間（Δt）をおい

極端紫外領域パルス光による信号強度を克服するために、パルス状で得いるといえる。一方、スマートフォンの中でと正孔が生成するのにかかる時間、DNAて 2つ目のパルス光をプローブ光として照時間分解反射率計測られる信号を積分し、暗電流の寄与を減使われている電子デバイスを構成する半の中の電子の動き、化学反応中の原子の射し、その反射率や透過率をΔtの関数とアト秒時間分 解ポンプ・プローブ計測

らした。さらに、
ロックイン検出＊2によって、導体中では、「アト秒」（100京分の1秒）や動きが挙げられる。これらの超高速過程はして測定する手法である。これにより、物に向けた取り組みとして、極端紫外領域パノイズを除去した。結果、検出された信号「フェムト秒」（1000兆分の1秒）という時間

我々の目で認識できない。しかし、これら質内の状態の時間変化をストロボ写真のルス光による時間分解反射率計測の結果

は既出報告と比較すると100倍程度の感で電子や原子が動いている。100京分の1の過程が起源となってさまざまな物理・化

ようにとらえることができる。ポンプ・プローを紹介する。21世紀に入り実現されたアト度向上を達成、さらに計測時間も数日から秒の間に光は 0.3nm、1000 兆分の1秒で学・生命の現象が我々の目の前に現れる。

ブ法の時間分解能は、パルス光の時間幅に秒パルス光は極端紫外領域に波長を有す数分へと短縮できた。本装置を用いれば、

光 物 理 化 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

12

理 の 先 端をいく Ⅰ＊1 フォノン固体を構成する原子の振動である格子振動を、量子化した（とびとびの値をもつ）エネルギーをもつ粒子と考えたもの。
フォノンは熱伝導や電気抵抗の原因になっている。
＊2 ロックイン検出
ノイズの多い環境から微小信号を検出するための計測法の 1つ。今回の実験では、まずポンプ光を周波数ωで周期的に遮断し強度変調を施して試料へ照射する。次に試料から得られる反射光の信号のうち、ポンプ光の変調周波数ωに同期した成分のみを検出した。

http://photon.chem.nagoya-u.ac.jp/
No.41 winter-spring 202213

理 の 先 端を いく

Ⅱ

銀河の誕生と「出島」図1

田 村 陽 一 素粒子宇宙物理学専攻准教授

広大な宇宙の 「発見」

E・ハッブルだ。彼は、銀河がもつ特別な変銀河の誕生

大航海時代、人々は夜空に輝く星々を光星を使って距離を測り、銀河が天の川の宇宙は、誕生後 38万年までにいったん手がかりに海を渡った。彼らは星々を目印

はるか外にあることを示した。1923年のこ

冷えて電気的に中性なガス（水素とヘリウとして使っただけでなく、その起源に思いとであった。その後ハッブルは、距離が遠ム）で満たされる。しかし、星のような光を馳せたに違いない。私たち天文学者がい銀河ほど、速い速度で地球から遠ざかっる天体がないため、しばらくは暗黒の宇宙

宇宙を探査するときに使う目印は銀河でていることを突き止めた。現在ハッブル・がひろがっている。宇宙が 1億歳のころ、あり、現代の天文学はその起源を探求しルメートルの法則として知られるこの関係

ようやくこの「暗黒時代」が終焉する。初ている。

は、宇宙が膨張する証拠として、あるいは代星と初代銀河の誕生だ。これらは、強烈

今をさかのぼることわずか100年、じつ宇宙が極小の火の玉・ビッグバンから始な紫外線を放射して周囲の中性ガスをみはこうした銀河が、天の川銀河の中にあるまった証拠として、人類の宇宙観の基礎をるみる電離し、10億歳までには宇宙全体星雲なのか、外にある別の銀河系なのかなしている。

を電離し尽くしてしまったらしい。

わかっていなかった。これを解決したのが、宇宙誕生後 6億年頃に発見された銀河

この銀河はハッブル宇宙望遠 鏡の深宇宙 探 査 領域（右）で見つかった。拡 大図（左）で、赤と緑はそれぞれサブミリ波干渉計ALMAがとらえたダストと酸素原子の放射を示す。青は、ハッブル宇宙望遠鏡がとらえた若い大質量星の光。星々の生死を経てつくられるはずのダストや酸素が、このような若い銀河に大量に見つかったことは驚きである。Credit: ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）, NASA, Y. Tamura; NASA, ESA, D.
Harvey, R. Massey, T. Kitching, A. Taylor, E. TittleyChemical Society.

図2

図3

サブミリ波望遠鏡ASTE

南米チリ北部・アタカマ砂漠の平原（標高 4860m）にポツンと置かれたASTE（アステ）望遠鏡は、日本の国立天文台と大学連合が建設・運用してきた口径10mのサブミリ波望遠鏡である。左手奥に本学のNANTEN2望遠鏡のドームも見える。Credit: S. Peetoom

こうした銀河誕生の時代は「宇宙再電離」の時代とよばれていて、最先端の研究

星が生と死を繰り返し、星やガスの元素

もしサブミリ波の広帯域分光が可能にが行われているフロンティアだ。この時代、組 成が 変容していったのか。このことをなれば、ガスやダストのスペクトルを観測

急激に天体の進化が進むとともに、私たち理解することは、私たちがふだん目にする

し、銀河の年代測定やその詳細な性質をが普段目にする物質、たとえば炭素や酸

多様性豊かな宇宙を理解するうえで欠か知ることができる。私たちは、オランダの素や窒素といった重い元素が恒星の内部せない。

研究チームと共同で集 積 超伝導分 光 器
DESHIMA（デ シ マ、図 2）を 開 発 し、で合成され、宇宙空間に供給されたと考え出島から漕ぎ出す銀河宇宙の新航路

られている。

Yoichi Tamura

1980年、福岡県生まれ。2004年、早稲田大学理工学部物理学科卒業。2009年、東京大学大学院理学系研究科天文学専攻博士課程修了、博士（理学）。2009年国立天文台研究員、2011年東京大学天文学教育研究センター助教を経て、2017年 4月より現職。専門は電波天文学、遠方銀河の観測的研究。

理 の 先 端をいく Ⅱ

2017年に南米チリのアステ望遠鏡に搭載

この時 代の研究は面白い。なぜなら、人類は、いよいよ銀河の誕生をとらえ始して（図 3）、世界初の技術実証観測に成宇宙で最初の天体がうまれ、ゆたかな物めた。にもかかわらず、私たちは宇宙のす功した。2022年には後継機を携え、本 格質世界が築かれていくまさにその過程が、べての歴史を明らかにすることができてい的な銀河探 査を予定している。日・欧が望 遠 鏡というタイムマシンを使って詳 細ない。それもそのはず、形成期の銀河に多2030年頃の実現をめざす大型サブミリ波に観察ができるからだ。この頃、太陽のよ

数存在するはずの誕生直後の恒星は、分望遠鏡と組み合わせれば、広大な宇宙空

うなふつうの星はまだ一生を終えず、した子雲とよばれる分子ガスとダストの「繭」間に位置する銀河の 3次元地図をえがく、がって重い元素は宇宙空間になかなか供に包まれているからだ。

いわば宇宙の測量の効率を飛躍的に向上

給されない。一方、最近のサブミリ波干渉

サブミリ波（波長 0.1～1mmの電波）は、させるだろう。江戸時代に出島（オランダ

計ALMAやハッブル宇宙望遠鏡の観測か

この銀河の繭の検出に優れている。恒星ではDeshimaとして伝承されている）を通ら、宇宙誕生後 5～6 億年後の宇宙ではによって温められたガスやダストは、遠赤じて友好を結んだ日本とオランダが、時を酸素や炭素、さらにはケイ素等からなる固外線で莫大なエネルギーを放出し始める。

経ていま銀河宇宙への新たな航路に漕ぎ

形微粒子（ダスト）をもつ銀河も見つかってこれが宇宙膨張にともなってより波長の出そうとしている。

いる（図1）。いつ、どのように銀河の内部で長いサブミリ波となり、地球に届くのだ。

天 体 物 理 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

14

DESHIMAの集積超伝導分光器チップ

左側の虹色に光っている部分が超伝導共振器からなるフィルター
バンク回路。比較のため 5円硬貨と1ユーロ硬貨を置いた。Credit:
J. Baselmans

http://www.a.phys.nagoya-u.ac.jp/
No.41 winter-spring 202215

理 の 先 端を いく

Ⅲ

異分野融合生物学時代

して、早期にウイルス排出量がピークに達量のピークの前か後かで、ウイルス排出量することが明らかになった（図 1）。また、を減少させる効果が大きく異なることを示

新型コロナウイルス感染症の治療が困難

開発したコンピュータシミュレーションにした。つまり、COVID-19症例では、個人な理由の 1つ

よる網羅的な分析によると、たとえ使用す個人でウイルス排出量がばらばらで、また、数理モデルを駆使した定量的なデータ

るウイルス複製阻害薬剤やウイルス侵入阻

治療開始時期に応じてそれら排出量への異分野融合生物学研究室（iBLab）は、数理モデル

解析によりCOVID-19に対する抗ウイルス

害薬剤が強力であったとしても、ピーク後効果が異なる。そして、このような極めてとコンピュータシミュレーションを駆使し、異分野にま薬剤治療が他のウイルス感染症と比較しに治療を開始した場合、ウイルス排出量を不均一な特徴をもつ症例に対して、抗ウイたがる生物学研究を進める、国内ではじめての異分て困難である理由の１つを解明した。イン

減少させる効果はきわめて限定的である

ルス薬剤の効果を臨床試験において正し

野融合生物学の研究拠点である。近年、最先端計測

フルエンザなどの臨床試験からも知られことを見出した。

く評価するためのシミュレータ（in silico

機器の登場により、生命を構成する最小単位であるている通り、一般的にウイルス排出量が個々の細胞レベルで生命現象を理解する試みが始まっ

ピークを迎える前にウイルス複 製阻害薬

新型コロナウイルス感染症の治療薬に対発を行い、一部isRCTを用いてデザインさている。これらのアプローチには多種多様かつ膨大な剤の投与を開始することが、排出量を減する臨床試験のデザイン

れた医師主導治験が日本で行われている

データを伴うが、巨大データがもつ情報を100%抽出少させるために重要である。COVID-19にCOVID-19に感染した場合、ウイルス排し、利用することはきわめて困難である。従来の手法

加えて過去に流行した中東呼吸器症候群

出期間が発症 7日、発症 14日、発症 28日程

このように、私たちの研究の「心臓」とで取得される臨床・実験データでさえ、内包する情報（MERS）および重症 急性呼吸器 症候群

度の 3グループに層別化できることを明らなっている武器は「数理モデルとコンピューを不完全にしか利用できていない場合もある。しかし（SARS）の臨床試験データを収集・分析かにした。また、すべてのグループにおいて、タシミュレーション」である。これらの武器

生命現象は本質的に高次元で非線形であることを考すると、COVID-19では過去のコロナウイ

ウイルス複製阻害薬剤やウイルス侵入阻害をもって、今後も異分野のクロスオーバー

えれば、数理科学、情報学、物理学など、異なる分野

ルス感染症であるMERSやSARSと比較

薬剤による治療開始時期が、ウイルス排出を前提とした生物学研究を進めていく。

開発を進めている。

岩 見 真 吾 生命理学専攻教授
定量的なデータ解析の必要性

randomized clinical trial：isRCT）の開（図 2）。

で開発されてきた理論や蓄積されてきた知見を利活用することで、データを制することが期待できる。つまり、生命現象の理解のために適切な分野を融合することで、定量的な観点からメカニズムを追求する次世代の生命科学分野を創出できる。今回は、私たちが取り組んでいる新型コロナウイルス感染症の研究について少しだけ紹介しようと思う。

まだ見ぬ新興感染症と戦うための研究
新型コロナウイルスによる感染症（COVID-19）が

図1

コロナウイルス感染症の違いの定量的理解

COVID-19、MERS、SARSにおけるウイルス排出量の時系列変化を再構築したグラフ。COVID-19は、発症後２日程度で排出量がピークに達しており、他のコロナウイルス感染症よりも効果的な治療が容易でないことが明らかとなった。

世界を震撼させている。臨床の現場では、重症化を防ぐためサイトカインストームの兆候があればステロイ
ドや抗IL6などが適用になるが、いったん重症化してしまうと人工呼吸器やECMOを用いた対症療法しか選択の余地がない。一方で、免疫を抑制してしまうとタイミングによってはウイルスの増殖を許し病状の悪化を招くことが報告されている。従って、根本的な原因であるウイルス量を減少させ、ウイルス排出期間を短 縮する抗ウイルス治療の確立が希求されている。

Shingo Iwami

2005年大阪府立大学工学部数理工学科卒業、2007年同大学
院工学研究科電子・数物系専攻博士前期課程修了。その後、静岡大学創造科学技術大学院自然科学系教育部環境・エネル
ギーシステム専攻に編入し、1年間短縮して 2009年博士（理学）を取得。2009年以降、日本学術振興会・特別研究員PD、科学技術振興機構さきがけ研究者を経て、2011年九州大学理学研
究院生物科学部門准教授に着任。2015年には仏国のINSERMにVisiting Professorとして滞在。2020年より現職。

図2

そこで、私たちのグループでは、今後も未知の感染症が流行する可能性が高いことを踏まえて、COVID-19
を含む新興感染症発生時に即時対応可能な「ウイルス非特異的」な感染動態定量化アプローチを駆使した汎用的な最適治療法提案に資するプラットフォーム
異 分 野 融 合 生 物 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

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理 の 先 端をいく Ⅲ

デジタルツイン時代の新型コロナウイルス研究

COVID-19患者の体内でのウイルス（SARS-CoV-2）量の変化にはばらつきがあり、ウイルス量の減少の速さが異なる。加えて、治療開始時期が遅くなると投薬の効果が小さくなるなど、臨床試験の結果に影響するさまざまな交絡因子が考えられる。数理モデルをベースとして、患者間のばらつきを再現したCOVID-19患者のウイルス量のシミュレーションを行うことで、さまざまな治療候補薬の投与スケジュールを考え、臨床試験を加速するin silico
randomized clinical trial（isRCT）とよばれるプラットフォームを構築した。

https://iblab.bio.nagoya-u.ac.jp
No.41 winter-spring 202217

理学部交差点
同窓生からキャンパス通信キャンパス通信自分の人生をどう生きるのか

ニュートンのリンゴの木の3 Dリンゴ

理学部オープンキャンパス報告

ハーバード大学 経営大学院修士課程

全学技術センター技術職員

理学部教育委員長

山口隆正（ Ryusei Yamaguchi）

嘉村

高塚

景〈旧姓：服部〉（ Kei Takatsuka）「なぜ理学研究科広報誌の同窓生欄に経営大学院

物理学者ニュートンが「万有引力の法則」を発見

2021年 8月12日に理学部オープンキャンパスをの学生が載っているのか」と思われた方もいらっしゃる

するきっかけになったとされるニュートンのリンゴ

新型コロナウイルス感染防止の観点から、昨年にかも知れない。私が理学部を経て現在に至るまでのの木は、接ぎ木により増えて世界中に広がっている。

引き続きオンラインで開催した。理学部企画は、オン

経緯を知り「へー、こんな人もいるなら何でもありだな」

人生の時間配分や選択の優先順位をどうつけるか、これには名古屋帝国大学 初代理学部長も務めた

デマンドで事前配信した学部紹介と当日の全体おと少しでも皆さまの元気の源となれば本望である。

クラスメイトたちと週に 4時間ほどかけて議論してい柴田雄次博士の働きがけもあり英国から日本にやってよび各学科企画からなった。全体企画では、午前中

長 野県で生まれ育ち、2016 年に生命 理学 専攻のるのがよい例だ。世界中から来た多様な学生、百戦来たとも言われている。名古屋大学にも益川敏英に学部説明会Q&A、午後に保護者説明会を行った。

修士課程を修了した私は、4年半、経営戦略コンサル

錬 磨の教授と日々交わす議論や会話の一つ一つに博士・小 林 誠 博士のノーベル 賞受 賞を記 念して

学部説明会Q&Aは 2部構成で、第 1部では阿波賀タントとして東京と米国で勤務した後、現在の大学院にかけがえのない価値を実感している。とはいえ学費と東京大学理学部附属小石川植物園からやって来た。

邦夫理学部長の挨拶、私からの理学部・学科紹介、入学した。コンサルタントとして働いていた際、研究で生活 費で 約 2 0 0 0万円がかかるビジネススクール。

両博士により2011年に植樹され、人工授粉によりそして南崎梓研究員よりストリートビューを用いた得た知識は直接的には用いずとも、身についた仮説

我が家は夫も同校に進学しているため、家庭としての2018年にはじめて結実した。

理学部施設紹介を行った。第 2部では 5学科より教

思考や、論理的思考力は大いに役立った。あらゆる業

経済負担は 2倍である。奨学金や借金で賄っているが、理学部第一装置開発室（全学技術センター）は員と学生それぞれ 1人ずつ計 10人がパネリストとし界や企業との仕事に充実感を得ながらも、もっと世界負担は半端ではない。なぜそんな馬鹿げた選択を、と研究用装置の開発をしている技術室であり、室内て参加し、南崎研究員の司会で高校生からの事前を見て多様な人々と働いてみたいと感じ、転職や留学思われても仕方ないが、お金に代えがたい一生モノには3Dプリンタ群を含むものづくりエリア「Creative

および当日の質問に答えた。質問は、名大理学部のを考えるようになった。その際、米国トップのビジネスの出会いや気づき、学びがあると日々感じる。また、

Factory」がある。2018 年 は Creative Factory 強

魅力、理学部と工学部・農学部の違い、学生生活、スクール数校に足を運び授業やキャンパスを見学した。

理学出身の私はクラス内で全く珍しい存在ではなく、化のため 3Dスキャナを導入したタイミングであった。

研究室・ゼミ、高校時代の勉強、卒業後の進路など

一歩足を踏み入れた瞬間、ハーバード大学経営大学

現役医師や元軍人、音楽家、政治家、プログラマーや

この 3Dスキャナによりはじめてのリンゴの形 状を多岐にわたったが、パネリストの皆さんより熱のこ院に進学したいと、強く願うようになった。同校の授AIエンジニアなど、多種多様な学生が集っている。

3Dデータ化して 3Dプリンタでの出力を計画した。

もった答えがなされた。

業は、93人の学生が教授と黒板を取り囲むよう設計

まさに皆、Life Long Learning。人生を通じて学び

現 在、世界 中で 活 躍している 3Dプリンタだが、午後の保護者説明会では、上川内あづさ教授のされた、窓のない教室の中で行われる。とてつもない

続け、自身を更新し、実践することが当然のように受名古屋大学の卒業生である小玉秀男氏が発明した。

挨拶、私から理学部・名大生の生活を紹介した後、緊張感の中、ケースメソッドとよばれる実際の出来事

容される社会は、最も過酷な環境を求めてきたはず

3Dスキャナはレーザーを用いて形状を読み取るため

質問に答えた。最後に阿波賀理学部長の挨拶がありをもとにした教材をベースに、一進一退の議論の攻の私にとって、むしろ大変心地よい居場所となってい苦手な条件がある。また、リンゴはなまものであるこ閉会とした。各学科企画では、学科・研究室紹介、防が繰り広げられる。この授業を見たとき、この環境で、る事実に、この文章を書きながら気づいた。これからも、とから時間的制約もあったが、忠実に再現すること

ライブ講義や懇談会などが行われた。オンライン

喧々諤々の議論を繰り返すことが自身の成長につな

理学部で得た学びのように自分の中に息づく過去をを目指して 360度 1回スキャンで取得した 3Dデータ

開催も2年目ということで昨年よりはスムースにオーがると確信した。また、経営を題材に「どう生きるか」

糧に、世界を舞台に社会に還元していきたいと強く

により3Dプリントした。現在は一般向けイベント等

プンキャンパスを開くことができた。

を考える授業にひきつけられ、この地に来た。

願っている。

で 3Dリンゴを展示して名古屋大学関係者の歴史的（生命理学専攻、2016年修士（理学）名古屋大学）

な活躍とともに紹介している。

理学部オープンキャンパス：https://nuoc.adm.nagoya-u.ac.jp/2021/rigaku/

現在、まさにCrafting Your Lifeという授業の中で、

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巧（ Takumi Kamura）

理学部交差点No.41 winter-spring 2022

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