下山事件 現場検証・遺留品
矢田は秋谷と申し合わせると、油と塩基性染料の発見を一緒になって東京地検に届け出ている。東京地検では検事正の堀忠嗣、次席検事の馬場、主任検事の布施が秋谷と矢田を恭しく迎えて、「ここまでの情報を総合すると、犯行現場の発見をすぐにやるべきだという結論になりました。これまでのご協力を感謝します」と頭を下げたという。他殺説で捜査を続ける東京地検は秋谷らの調査に期待するようになり、正式な鑑定命令を出した。ここで晴れて秋谷らは公式に油や塩基性染料の調査ができるようになり、研究室の研究員だけでは足りないので、応援を呼んで調査を強化した。秋谷は研究員を3班に分け、まずは秋谷が直卒する油の正体追及班に7人、塩基性染料関係は助教授をチーフに矢田を含む5人、残り若干名は他の付着品の調査をそれぞれ担当することとなった。
秋谷らが正体追及した謎の油は、通称「下山油」と呼ばれるようになった。まずは機関車などに使われている鉱物性の油であるか調査するため、田端機関区から鉱物性の油を3種類取り寄せて下山油と屈折率の調査を行ったが、田端機関区の油は鉱物性の油の屈折率であったのに対して、下山油は植物性の油の屈折率であった。さらに研究員は田端機関区で機関車の車底に実際に潜り込んで油を拭ってみたが、わずか4.5ｇしか採集できず、轢死した場合に遺体の衣服につく油は微量にとどまるはずであると主張した。屈折率の調査の結果、植物油と判明した下山油の正体を特定すべく、東京地検と警視庁捜査二課の30人を動員して東京都内で当時使われていた油のサンプルを集めることとした。この当時、油は戦前からの配給制が続いており、油糧配給公団が配給していた。そのため、生産拠点や配給所を追跡することが可能で、東京地検は早速公団に連絡を取ると、帳簿を押収した。そして公団から押収した帳簿の情報をもとに、東京地検や警視庁捜査二課の捜査員が虱潰しに生産拠点や配給所を回ってサンプルを収集した。
新聞記者とは言え、私人に過ぎない矢田が検察の捜査を主導するという異例の展開となったが、矢田の回想によれば、この当時の東京地検と矢田は、明らかに常軌を逸した距離感であった。その典型的な例として、「下山油」の調査のために油糧配給公団から帳簿を押収する際、矢田は次席検事の馬場から人手が足りないので「ニセ検事」をやってほしいとの依頼を受けている。馬場は矢田の派手な恰好見ると、わざわざ検事っぽい黒い服を準備してまで検事に見せかけようとまでしたという。帳簿押収の現場では、矢田はただ突っ立っているだけで何もしなかったが、後日、矢田は偶然に油糧配給公団の管理職にバッタリと出会い、矢田を記憶していた管理職は「検事さん、先日はごくろうさまでした。あの帳簿で何か事件のヒントでもありましたか？」と話しかけてきたので、慌てた矢田は取りあえず口先だけ合わせて早急に退散したということであった。さらには、東京地検に深夜まで入り浸っていた矢田は、12月4日深夜に警視庁捜査本部の坂本が単独で東京地検を訪れて、主任検事の布施に捜査の終了方針を伝えに来た時も同席しており、一緒に坂本の話を聞き、翌朝、検事正の堀に布施がそのことを報告するのを同席して聞いていたと主張しており、これが事実であれば、東京地検と一マスコミの関係としては異例な距離と言える。
植物性油のサンプル数は11月半ばまでに100か所以上の生産拠点や配給所から集められたが、その油種もごま油、菜種油、糠油、大豆油など14種類にも及び、さらにはそれらを混合した混合油もあった。秋谷はこの集められたサンプル油で科学的判別法の一つである酸化測定を行った。酸化測定の結果、下山油と同じように時間経過と共に酸化の値が急上昇するのは、トウモロコシ油か糠油のいずれかまで絞り込んだ。秋谷はさらに下山油を特定するため、複数のトウモロコシ油と糠油の沃素値を測定して下山油と比較した結果、糠油のサンプルの測定値内に入っていることが判明し、下山油は糠油であると断定した。
糠油は無論、植物性油が機関車に使用されることはないと認識していた秋谷はこの検査結果に色めき立ち、下山油は轢断時に機関車から付着したものではなく、「油の流れている場所で下山さんは死んだ」と推定した。この下山油の存在は、下山の監禁および殺害場所を特定する重要な手がかりになる可能性もあるとして注目され、一気に他殺説を盛り上げることとなった。下山は殺害されたのちに、糠油を入れていたドラム缶に押し込まれて現場まで輸送されたが、その際に衣類に糠油が付着したのではという推測もされた。下山油のサンプル収集の過程で、塩基性染料と糠油を併用する事業所があることが判明しており、秋谷は検事に「糠油と色素を一緒に使う産業があるという発見は、事件捜査に有力な糸口を見つけたことになると思う」と進言した。さらに秋谷は追加調査で塩基性染料の種類も特定し、その染料を使用している事業所を絞り込むことを検事に提案している。
他殺説の最有力の論客であった推理作家松本清張は「私はドラム缶ではなく、四角い箱のようなものではなかったかと思う」「それに下山の身体は右脇を下にした状態で置かれたのではあるまいか」と主張しているが、これは下山油の付着が下山の遺体の右側の方に多く付着していたからであった。さらに松本は背広上着に下山油が殆ど付着しておらず、ズボンや下着に大量に付着してることから、機関車から流れ出た油が轢断時に付着したものではなく、先に他の場所で付着したことは明白であるという主張も行った。松本はこれらの推理から、事件当時に赤羽にあったアメリカ軍東京兵器補給廠の工場内で下山は謀殺されたと主張している。（松本の主張については#他殺説参照）
1973年（昭和48年）に公開された秋谷の鑑定書に、下山油についても鑑定結果が詳細に記載されていたので、ジャーナリストの佐藤は、東京大学生産研究所第4部に再検証を依頼しているが、再検証の結果、数々の問題点が指摘されている。秋谷はこの鑑定書にて、下山油が機関車には使用されない植物油であることや、電車に轢殺された遺体としては不自然なほど大量に衣類に付着していたと指摘し、この秋谷の主張が下山他殺説の有力な根拠ともなっているが、事件当時は、鉱物油の質が悪かったので、性状を安定させるために植物油を混入させることは常態化しており、その割合は5％から30％にも達していた。それは秋谷の鑑定書にもしっかりと記載してあり、公開された鑑定書の記述では、下山油と比較するために、糠油のサンプルを取り寄せた27か所の事業所や工場等のなかに、国鉄の新小岩機関区と八王子機関区の2か所が含まれており、サンプル収集時点で、秋谷らは機関車に糠油が使用されていることを認識していながら、なぜか機関車には植物油（糠油）は使用されていないなどと矛盾した判定をしていた。さらには、下山を轢断したD51 651機関車の整備士に捜査一課が聴取したところ、事件当日の給油係であった鹿志村福三と磯部成美は「潤滑油第5種（鉱物油）と大豆油（植物油）を半々で混合した混合油を給油した」と述べていた。
また、秋谷は機関車の車底から、わずか4.5ｇの油しか採取できなかったとしているが、佐藤が実際に機関車の底に潜り込んで調査したところ、機関車の車体には大量の油が付着しており、手の届く範囲で拭ってみたところ300gを超える油が採取出来ている。轢断現場においても、下山が最初に機関車に接触した位置と推定される、東武線高架下から3.3ｍほどの地点には、大量の油の流れ跡が見つかっていた。下山油を糠油と断定した秋谷の沃素値測定についても問題点が多く、秋谷が下山油の沃素値を測定したのは、事件から9か月も経過した1950年（昭和25年）4月で、油脂の酸敗が進んで数値が変化していた可能性もあり、糠油であると断定できるほどの信頼性はないことが判明した。秋谷の鑑定書において、サンプルの糠油の酸化値（S・Z値）が31.9～33.2であったのに対し、下山油は116となっていた。また鹸化値（V・Z値）については糠油原油が179.1、トウモロコシ原油が188.0に対して下山油は195.4とトウモロコシ油に近かった。
松本らが指摘した、背広上着に下山油付着が少ない点についても、下村は機関車底部に巻き込まれて、轢断されたり引きずり回されている間に次第に衣服がはぎ取られていき、最後は殆ど裸体になってしまったので、真っ先にはぎ取られた上着に下山油の付着が少なく、より長く下山の遺体が着用していた、下着やズボンに付着が多かったのは当たり前で、もっとも付着が多かったのが、最後まで下山の大腿部にまとわりついていたボロボロのズボンであったのもその証左ともいえる。また、機関車による轢死体に相当量の油が付着するのは、轢死体を多く扱う鉄道関係者や法医学者内では共通認識であった。
轢死体に油が付着しているのは共通認識であったことや、轢断現場には機関車から流れ出た大量の油跡が発見されていたこともあって、捜査一課では油の存在を殆ど問題視していなかった。そもそも、東大法医学教室の搾り取れるほどの大量の油が下山の衣服に付着していたとの主張についても、捜査一課の平塚は、自分たちが下山の衣服を警視庁の屋上で4～5日も天日干しをしてから、まずは東京地検に提出し、その後に警視庁の鑑識課が調査したあとで、事件後50日も経過してからようやく東大法医学教室が鑑定を行ったものであるから、それほどの油が残っていたはずはないという指摘をしている。また、捜査一課の他の捜査員の記憶では、警視庁鑑識課の調査前に、衣服を洗濯用固形石鹸でこすって洗ってしまったということであり、東大に送られたときには油はあまりついていなかったという。そのため、捜査一課は下山油については機関車の油と断定して、特に捜査は行わなかった。
また、塩基性染料については、工場や事業所といった限られた場所での染色目的だけではなく、医療用、科学実験用、鮮やかな発色の婦人服の染色、部屋の化粧壁など日常生活にありふれており。通常の生活をしていても衣料に付着する可能性があることも指摘されている。ちなみに、下山が最後に休憩した末広旅館の化粧壁にも塩基性染料が使用されていたという。さらに、矢田が下山の衣類から検出したとされる塩基性染料は極めて微量であり、事件当時、秋谷から指示を受けて染料の調査をしていた助教授の塚元は「きわめて微量なものからその付着場所を特定するのは、事実上不可能であった」と振り返っている。
秋谷らが、機関車の整備油に植物油が混じっていたという事実、機関車には常時大量の油が付着しているという事実、そのために轢死体には相当量の油が付着することを敢えて黙殺して「秋谷鑑定」を行ったのは、当時、下山油に強い興味を示していた東京地検や警視庁捜査二課二係に忖度したのではないかとの指摘もある。特に捜査二課二係の吉武辰雄係長は、これまで資料の蒐集や協力活動といった捜査一課の捜査支援という立場に甘んじていたので、この事件で初めて主体的に捜査できた下山油に入れ込んでおり、秋谷の鑑定も吉武の捜査方針に沿った結果となって、結果的に協力活動をするような形になったという指摘もある。捜査二課二係の捜査によって、糠油と塩基性染料を使用していた工場を13か所まで絞り込んでいたなどという主張もあるが、捜査二課二係長の吉武によれば、東京中の工場を捜査し尽くして手がかりはまったくなく、わざわざ北海道の室蘭の製鉄所まで足を延ばして捜査しているが、空振りに終わっている。後年に吉武は「下山油」の捜査を振り返って「東京中の油のサンプルと比較したが該当するものはなく、室蘭の製鉄所の油が似ているとの情報で室蘭まで行ったが、それも空振りに終わって、最終的な結論が出ることもなく、捜査終了前には油の捜査は終わっていた」と語っている。