現在、スーパーコンピュータ「京」に代わり、「富岳」の稼働に向けて着々と準備が進められています。「重点課題9」の中で、富士通と理化学研究所が共同で研究を進めている「富岳」を使った「格子QCDプログラム」の開発の取りまとめ役を担っているのが、広島大学の石川健一さんです。准教授ブラックホールは光さえ脱出できないほどの大きな重力をもった天体で、太陽の30倍以上の質量の恒星が最期に至る姿であると考えられています。X線による観測でその存在が確認されてから既に40年以上経っていますが、現在でも謎に満ちた天体で、様々な方向から盛んに研究がなされています。東邦大学の関口雄一郎さんは、スーパーコンピュータの中にブラックホールをつくる研究をしているそうです。特任准教授は、宇宙のプラズマ粒子の加速現象を解明しようとしています。このことは、2013年9月の月間JICFuSですでに紹介しましたが、あれから6年のうちには、スーパーコンピュータ「京」を使った超大規模数値実験を行い、プラズマ粒子が“強い天体衝撃波”の作用を受けて加速する様子を明らかにするなど、大きな成果を上げています。物理学において、物質や空間などがある状態から別のある状態へ移ることを「相転移」と呼びます。知られているものは水の相転移で、水は温度や気圧の変化で氷や水蒸気に状態を変えます。この状態のことを「相」と呼ぶのですが、この「相」が温度や気圧、別の物理的な要因でどのように変化するのかを図示したものを「相図」と呼びます。我々の宇宙の進化の中、物質創生の過程の素粒子レベルで相転移が起こっていたかもしれません。高エネルギー加速器研究機構の青木保道さんはQCD相転移について研究しています。スーパーコンピュータによるQCD相図の作成とは、いったい何なのでしょうか?その意味と醍醐味を伺ってみましょう。原子核は陽子と中性子でできています。陽子や中性子はクォークでできています。陽子や中性子はアップとダウンという最も軽い2種類のクォークが3個集まってできています。3個のクォークで構成された粒子をバリオンといいます。クォークと反クォークの対からは中間子が作られ、これらの粒子のことをまとめてハドロンと呼びます。原子の構造は「陽子と中性子からなる原子核の周りを電子がまわっている」と中学で習います。センター特任准教授の清水則孝さんは言います。清水さんはスーパーコンピュータを使って原子核の状態をシミュレーションする理論物理の研究をしています。その研究の魅力を清水さんは「理論研究者が新しい発見をすると、それが実験研究者の新たな発見の役に立つ。実験研究が進展すると理論研究も進展していく。して次々にわからなかったことがわかってくるところが面白い」と言います。清水さんが明らかにした原子核研究の成果をご紹介しましょう。中性子星は太陽と同程度の質量を持っていますが半径が10kmほどしかない天体で、その重力はブラックホールに匹敵するほど強いことが知られています。この強い重力に引かれて周辺のガスが中性子星へ落ちていくのですが、このとき星のX線によりガスの降着が妨げられます。ガスの量が多いとそれを超えてガスが落ちていき、これを超臨界降着と呼びます。従来、この超臨界降着現象はブラックホールにおいてのみ起きると考えられてきましたが、近年中性子星でも起こることが観測的に分かりその発生のメカニズムが注目されています。高橋さんはこの中性子星での超臨界降着現象の問題について、スーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションを駆使して挑みます。重い星が最期を迎える時に起こす“超新星爆発”は、興味深い天体現象として、そのプロセスを明らかにする研究が行われています。ある大川博督(おおかわ・ひろただ)さんは、“ニュートリノ輻射輸送を、ボルツマン方程式を使って厳密に計算する方法”を使って超新星爆発の真実に迫ろうとしています。技術の発展によりスーパーコンピュータを用いて自然現象をシミュレーションし、実験と照らし合わせて理論を評価することができるようになりました。クォークやグルーオンという素粒子を扱う基礎理論をQCDと呼びますが、素粒子の起こす現象をスーパーコンピュータでシミュレーションする場合は空間を格子状に区切って理論を再評価した格子QCDを用いなければなりません。Colquhounさんです。彼がどうして素粒子物理学を研究することになったのか、彼の研究テーマと大規模数値シミュレーションについて語っていただきました。原子核を一つの塊にしている基本的な力を核力と言います。この核力を基にして、全ての原子核の状態や運動を記述するのが、原子核物理学の最大の目標です。ところが、陽子と中性子の間に働く核力は、数が多くなるにつれて膨大な計算量を必要とし、スーパーコンピュータを使ってもヘリウムやベリリウムといった軽い原子核が限界です。それ以上の中重原子核の計算はモデルを使って行います。センターの角田直文特任助教は、核力に基づいた大規模殻模型計算を行っています。スーパーコンピュータ「京」ではネオンやマグネシウムまで計算できました。次世代のポスト「京」ではカルシウムや鉄まで計算すべく、アプリケーションの開発を行っています。我々の世界を構成する元素には100を超える種類があります。信哉(にしむら・のぶや)さんは様々な天体モデルでの重元素合成プロセスをスーパーコンピュータで検証しようと試みています。陽子や中性子は3つのクォークにより構成されます。Jaffe)が初めて予言しました。ともに、Hダイバリオンが本当に存在するのか研究を重ねてきました。佐々木健志(ささき・けんじ)特任助教は、コンピュータ・シミュレーションによりHダイバリオンの存在の有無を研究しています。「研究すればするほど、真実に近づいている感じがして、本当におもしろい」という佐々木さん、いったいどのように研究が進んでいるのでしょうか。金森逸作まずはおさらいから始めましょう。原子は原子核と電子でできています。原子核は陽子と中性子で構成されており、陽子と中性子はクォークと呼ばれる基本粒子で構成されていることが知られています。クォークは6種類あります。電子には同様の性質をもつものがほかに2種類存在し、これらに3種類のニュートリノを合わせたものをレプトンと呼んでいます。このクォークとレプトンが、物質を構成する粒子であるフェルミ粒子です。フェルミ粒子の間に働く力は、4種類のボース粒子(グルーオンなどのゲージ粒子)によって媒介されると考えられています(図1)。宇宙はどうして今のような姿になったのか...。センターの石山智明(いしやま・ともあき)准教授は、そんな研究者の1人で、自らが開発したダークマターシミュレーションを発展させて、今ある星や銀河の成り立ちを探ろうとしています。陽子や中性子からなる原子核は、物質の基本要素として重要です。宮城宇志(みやぎ・たかゆき)さんは、核力から原子核を理解しようと計算手法を開発しています。素粒子の世界は、普段我々が目にする日常とはまったく異なっており、粒子の運動を解き明かすのに特殊な方法を用います。それが「格子化」です。本来、連続的に動いている素粒子を立体的な格子の中に閉じ込め、その振る舞いを数値的に研究する手法です。格子化のなかでも格子量子色力学(格子QCD)は多くの研究者の努力でめざましい発展をとげてきました。センター特任助教の加堂大輔(かどう・だいすけ)さんは「格子をQCDに“閉じ込め”させておくのはもったいない。格子の手法はもっと大きな可能性を秘めています」と語ります。加堂さんは、格子化にどのような可能性を見ているのでしょうか。宇宙の誕生直後に起こったとされるインフレーションとビッグバン。近年の宇宙観測によって、このような急速な膨張が起こったことは確からしいとわかってきた一方で、実際に宇宙初期でどのようなことが起こったのか、理論的予測の検証は困難を極めます。高エネルギー加速器研究機構の伊藤祐太研究員は、超弦理論の立場から、スーパーコンピュータ「京」を使った大規模シミュレーションで、宇宙初期の謎に挑みます。原子核というと球形を想像し、実際に多くの原子核は球形です。角田佑介(つのだ・ゆうすけ)さんは、このような原子核の変形を計算で解析することで、原子核の性質を解き明かそうとしています。夜空に突然現れるひときわ明るい星「超新星」。星が最期に起こす爆発現象です。これまで、超新星爆発を起こすのは太陽質量の10倍以上の重い星、つまり質量(だけ)が大事だと考えられてきました。実際はそう単純ではないようです。航(なかむら・こう)助教は、超新星爆発には星の内部構造が深く関わっていると言います。いうことなのでしょうか。宇宙には幾千億ともいわれる銀河が存在しています。銀河の明るさや色、形は様々で、分布も一様ではありません。銀河はどのような進化を経て現在の姿になったのでしょうか。平(おおぎ・たいら)研究員は、宇宙論的N体シミュレーションを用いて銀河進化の解明を目指しています。カギを握るのはダークマターです。現在、最も有力な仮説は、ダークマターが重力により集まってハローと呼ばれる塊を作り、その中で通常の物質が集まって銀河が形成されるというものです。スーパーコンピュータの中に10億光年の箱を用意して、ダークマター、通常の物質の順にシミュレーションを行うことにより、銀河進化の謎に挑みます。宇宙は約138億年前に起こったビッグバンにより誕生したと考えられています。現在、宇宙は数千億個ともいわれる銀河が集まった「銀河フィラメント」※1と呼ばれる領域と、銀河がほとんど存在しない「超空洞(ボイド)」と呼ばれる領域が複雑に入り組んだ、泡もしくはハチの巣のような構造をしており、「宇宙の大規模構造」や「宇宙の泡構造」と呼ばれています。核変換とは、原子核を別種の原子核に変えることです。核変換には放射性廃棄物処理を始めとして、様々な応用が考えられますが、核変換をどのような方法で実現できるかは研究途上です。富樫智章さんは、モンテカルロ殻模型という方法によって、まだだれもやったことのない、核変換前後の原子核の量子構造を大規模シミュレーションで解明する研究に挑んでいます。特任研究員1916年、ドイツの天体物理学者カール・シュバルツシルトは、アインシュタインの一般相対性理論の方程式から、世界で初めて「ブラックホール」という天体の存在を導き出しました。X線などさまざまな波長の光を使って宇宙を観測できるようになったことで、ほとんどすべての銀河の中心には、非常に強い重力であらゆるものを吸い込みながら成長するブラックホールが実在することが示されています。「ブラックホールを理解することは、銀河、ひいては宇宙の成り立ちを理解することにつながります。そのため、数多くの天文学者がブラックホールに注目しているのです。原子核は陽子や中性子で構成されており、電磁気力だけを考えると陽子同士の斥力で一塊にはなりません。それをつなぎとめているのが「核力」です。核力は長い間正体がわかっていませんでしたが、スーパーコンピュータを使った大規模シミュレーション「格子QCD」で、解明の糸口が見えてきました。知恵を持ち寄り、「核力とは何か」という難題に取り組んでいます。大規模シミュレーションにより初めて核力を示した研究成果は、2012年度仁科記念賞を受賞するなど高い評価を得ています。(JICFuS)設立の大きなきっかけともなりました。太陽表面に現れる「黒点」。周りより温度が低く、強い磁場に満たされた場所です。黒点の数は太陽の活動状況によって増えたり減ったりしており、それは11年の周期で繰り返されています。英之(ほった・ひでゆき)特任助教は、この問題に独自のアイデアで挑み、スーパーコンピュータ「京」を使ったシミュレーションで新たな成果を上げています。研究員たった1枚のグラフを描くために、スーパーコンピュータをもってしても1年かかる。センター研究員の滑川裕介(なめかわ・ゆうすけ)さん。「複雑な計算はしているけれど、素粒子の基本法則はシンプルです。論理的にたどっていけば、式は1つ。そこが面白いところです」と語ります。素粒子の一つである「チャームクォーク」に関する知られざる性質を明らかにしようと、日夜シミュレーション研究にいそしんでいます。太陽系には8つの惑星が存在しており、太陽系以外にも1000個を優に超える大量の系外惑星が発見されています。小南淳子研究員は、スーパーコンピュータ「京」を使い、この壮大なテーマにチャレンジしています。太陽系の惑星は3種類に分類されます。太陽に近い方から順に、硬い地面を持った小さな地球型惑星、ガスをまとった巨大な木星型惑星、そしてガスが比較的少ない氷型惑星です。系外惑星には、この分類に当てはまらないものも存在します。これら多様な惑星が、どのような物理的メカニズムで形成されたのか。数十万個の微惑星を使ったN体シミュレーションで解き明かします。宇宙には、中性子星など「コンパクト星」と呼ばれる天体が存在していることがわかっています。これは、通常の恒星に比べて密度が異常に高く、同じ質量で比べた場合、非常に小さくコンパクトな天体のことです。中性子星の密度は太陽の1014(100兆)倍以上と言われています。通常、物質を構成する要素である原子核の密度は一定で、これ以上圧縮することはできないというのが原子核物理学の鉄則です。間で高い関心を集めています。現在のところ、コンパクト星がなぜ超高密度なのか、詳細なメカニズムはわかりません。メカニズムが解明されれば、宇宙の起源の解明に大きく寄与する可能性があるため、期待が高まっています。高橋博之(たかはし・ひろゆき)さん。ブラックホールの研究をしないかと誘われた高橋さんは「ぜひやらせて下さい」と二つ返事で現在の研究チームに入りました。高橋さんが取り組むのは、これまでの定説では理解できないほど急激に成長するブラックホールの様子。高橋さんが研究で明らかにしたブラックホールとはいったいどのようなものなのでしょうか。巨大星の最後の姿、超新星爆発。この現象は肉眼でも見えるほど明るいため、古くから記録が残っています。鎌倉時代初期に書かれた『明月記』には、かに星雲(1054年)など3つの超新星が記録されています。超新星は長い間、どのように爆発しているかわかっていませんでした。近年、スーパーコンピュータの性能向上、シミュレーション技術の進歩により、その姿が明らかにされ始めています。理化学研究所の滝脇知也研究員がスーパーコンピュータ「京」など様々なスーパーコンピュータを駆使して見えてきた、最先端の超新星爆発シミュレーションの世界をお楽しみください。研究員HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」では、「格子QCD」のコンピュータシミュレーションによる研究によって、その謎に迫ろうとしています。格子QCDシミュレーションを駆使することで、クォークから核子、原子核に至るまでの統一的な理解が可能となることが期待されています。「例えば、陽子や中性子の質量やスピンの状態は数値計算や実験、観測により明らかになっていますが、これらを構成するクォークとの関連性はよくわかっていません。したクォークと核子に関するあらゆる謎を解明したいというのが、我々の究極の目標です」。悟(うえだ・さとる)研究員です。助教ビッグバン直後の宇宙は、電子や陽子などがばらばらに飛び回る電離状態にありました。­宇宙が冷えていくにしたがって電子と陽子が結びつき、約38万年後にはいったん電気的­に中性な原子ができました。その後、銀河や星が形成され、そこから放射される光によっ­て中性原子が再び電離します。これを宇宙再電離と呼びます。このようにして、銀河の形­成史と宇宙再電離は密接に関連しており、これらに注目することで宇宙の進化を読み解く­ことができます。(C研)の長谷川賢二助教は、スーパーコンピ­ュータ「京」などを使い、輻射流体シミュレーションによって銀河間物質の電離過程を計­算することで、宇宙再電離と銀河形成史を統一的に理解しようとしています。特任助教ニュートリノの性質を明らかにすることは、宇宙や星の成り立ちの解明につながります。センター特任助教の岩田順敬(いわた・よりたか)さんです。岩田さんは、殻模型※1という原子核の構造を記述するモデルを使って、ニュートリノの謎を解く鍵となる「原子核の二重ベータ崩壊」の過程を計算で明らかにしようとしています。「超新星」といわれるひときわ明るい星が、空に突然現れることがあります。これは、太陽よりも大きな質量の星が、その最期に起こす大爆発の姿だと考えられています。慶(こたけ・けい)助教(当時)は計算機の中では「超新星はまだ爆発していません」と語っていました。それは、様々な物理現象を取り入れた1次元コンピュータシミュレーションでは、この現象を再現できないということでした。計算機性能の向上に伴い、徐々に現実的な3次元計算による爆発の再現の可能性が見えてきました。わかな(いわかみ・わかな)研究員に、その理由を聞きました。物質を構成する最小単位である素粒子の一種「クォーク」、そこに働く「強い力」。スー­パーコンピュータを使った「格子QCD」という計算手法によって、それらの性質を知る­ことができます。chromodynamics)とよばれる理論です。一つのシンプルな方程式に­より、クォークから陽子や中性子、原子核におよぶ物理の統一的な理解を可能にします。センターのHA-PACSといったスーパーコンピ­ュータを使い、クォークと強い力の謎に迫ります。特任助教2014年4月、米科学誌Scienceに掲載された論文「量子ブラックホールのホログラム的記述の数値的検証」が世界の注目を集めています。吾郎(いしき・ごろう)特任助教は超弦(ちょうげん)理論の研究者です。建築を学んでいた伊敷さんは、学部3年生のときに、その後の人生を決める1冊の本に出合いました。―超弦理論が完成間近である。その理論を完成すべく、世界中の研究者が英知を結集している』と書いてあったように記憶しています。なにすごい理論なのか。勉強してみたい、と思いました」と伊敷さんは当時の衝撃を振り返ります。木内建太特任助教は、国立天文台のスーパーコンピュータ­「アテルイ」などを用いて、この現象の解明に挑んでいます。連星中性子星の合体では、さまざまな現象が起こると予想されています。重力波は一般相対性理論の検証に欠かせない、現代物理学最大の関心事の一つ­です。これまで、鉄より重い元素は超新星爆発により合成される説が有力でし­たが、最新の研究では否定的な意見が出始めています。連星中性子星の合体で、太陽質量­の100分の1にも達する大量の物質がまき散らされ、その中で重元素合成が行われるの­ではないかと考えています。経由してブラックホールが形成されるといったことも予想さ­れています。剛(やまざき・たけし)特任助教は、これを「多体核子」と表現します。核子が4つで「多体」とは少ないように思うかもしれません。核子ひとつひとつは、物質を構成する最小単位と考えられている素粒子、クォーク3つとグルーオンで構成されています。素粒子の振舞いから原子核の性質を計算する山﨑さんにとって、ヘリウム原子核は4核子の集合体ではなく、その数倍の素粒子が複雑に影響を及ぼしあっている集団に見えているのです。2009年には、「こんな複雑な計算はまず無理」と考えられていました。それを可能にした山﨑さんは、どのような工夫を重ねてきたのでしょうか。惑星形成の研究はかなり進んでいます。ところが、現在知られている惑星形成のシナリオには、いくつかの問題点も残されているのです。小南淳子(こみなみ・じゅんこ)さん。最新の研究成果とこれから取り組む研究についてお話を伺いました。光さえも吸い込んでしまうため真っ暗に見えるブラックホール。雄一郎(せきぐち・ゆういちろう)特任助教は言います。ブラックホールができる過程をシミュレーションしている関口さんがその研究の先に見据えているのは、「およそ100年前にアインシュタインが出した宿題」とのこと。時空を超えた物理研究のお話を伺いました。「人の体は星屑からできているといわれます。生命の誕生に不可欠な炭素や酸素などの元素は、恒星の中で生まれたということです。その元素、つまり原子核の構造には謎が多く、それが持つエネルギーや環境によって様々に姿を変える“お化け”のような存在であることがわかってきました。私はこの、決して目に見えない原子核の状態を量子力学を駆使して探ることで、新たな物質の存在形態を知りたいのです」。靖郎(ふなき・やすろう)さんです。船木さんは、αクラスター模型を使ったシミュレーションによって、原子核の構造を研究しています。特任助教この世界には、未だに解明されていない現象がたくさんあります。宇宙空間には、光の速さの約90%というものすごいスピードで運動する電子がほんのわずか存在していますが、これも未解明現象の一つです。電子のほか、陽子やイオンなど電荷をもつ粒子をプラズマ粒子と呼びます。洋介(まつもと・ようすけ)特任助教は今、この電子加速の謎に迫ろうとしています。亨(よしだ・とおる)さんは、「本当だろうか。どんな計算をしたら楕円だとわかるのかな」と疑問を抱いたそうです。それが、原子核研究の世界へと進むきっかけとなりました。吉田さんの研究テーマは、原子核の様子を方程式で記述するのに必要な物理量を明らかにし、原子核を表す最適な理論を見出すこと。その進展はというと「うまく行き過ぎていて、“本当かな”と慎重になっているところです」。吉田さんの気持ちを高ぶらせる最近の研究成果についてうかがいました。基づく核力の導出」の業績によって2012年度仁科記念賞を受賞しました。この賞は、原子物理学とその応用に関して優れた研究業績をあげた研究者を表彰するものです。3人の中で最も若い石井さんは、原子核・ハドロン物理の専門家でありながら、格子量子色力学(格子QCD)の計算の経験もあったことから、グループ内で大きな役割を果たしました。今回は、受賞理由となった研究内容と、すでに動き出している新たなチャレンジについて話を聞きました。宇宙には、普段われわれが目にする物質のほかに、質量にして5倍ほどのダークマターが存在します。ダークマターの重力進化を解明することは、宇宙の形成過程を明らかにすることにつながります。センターの石山智明研究員を中心とする研究グループは、理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」を用いて、約2兆個のダークマター粒子の重力進化の計算に成功しました。1兆粒子を超す規模のダークマターシミュレーションは世界最大であり、専用のアプリケーションを開発した上で「京」全体の約98%を使用し、実効性能5.67ペタフロップス(1秒間に0.567京回計算)を達成しました。この成果により、2012年11月に米国・ソルトレイクシティで開催された国際会議SC12において、計算科学で最も権威あるゴードン・ベル賞を受賞(プレスリリースはこちら)しました。ダークマターの重力進化の計算は現在も進行中です。完了すると、現存する銀河のダークマターの微細構造や、成長過程が明らかになります。ダークマター粒子の観測方法の改良にもつながります。宇宙現象などのシミュレーションには、膨大な量の計算が必要です。近年では、問題のサイズがどんどん大規模になっています。そのため、扱っている問題を計算するにあたり最適なアルゴリズムや高速化の手法をみつけることが重要です。中でも、計算時間の大半を費やしている連立一次方程式の解を高速で効率よく求めることができれば、宇宙や原子核など様々な分野の研究の進展に役立ちます。暁(いまくら・あきら)さんは「連立一次方程式と聞くと難しく思うかもしれませんが、小学校で習った「鶴亀算」と同じなのですよ」といいます。今倉さんは、超新星爆発シミュレーションにおける連立一次方程式を解くための手法を研究しています。物質の起源を辿っていくとクォークとグルーオンという素粒子に行き着きます。通常は単独で存在できないこれらの粒子は、超高温では自由に飛び回ることができるようになると考えられています。Guido)さんです。日本にやってきた経緯、彼の研究テーマとスーパーコンピュータを駆使した大規模数値シミュレーションとの密接な関係、そして日々の研究活動について、彼に語って頂きました。研究の中に、銀河ができる様子をコンピュータ上に再現して調べる「銀河形成シミュレーション」があります。斎藤さんは、従来よりもずっと精密な銀河形成シミュレーションによる、銀河形成過程の解明をめざして研究を続けてきました。銀河形成に必要な物理過程をすべて盛り込んだプログラムの完成にめどが立ち、今年中にはスーパーコンピュータ「京」を使った大規模シミュレーションに向けて、準備を始めたいと考えています。万物に質量を与えるメカニズムに欠かせないとして、その発見の期待が高まるヒッグス粒子。悦子(いとう・えつこ)さんは、「ヒッグスという素粒子は存在しないのかもしれません」と言います。特任助教2011年は原子核研究にとって記念すべき年です。アーネスト・ラザフォードが原子核を発見したのが1911年。それからちょうど100年が経ちました。喬(あべ・たかし)さんに話を聞きました。聞くと、大型加速器のような巨大な実験装置や、小林・益川理論などを思い浮かべます。ここで紹介するのはそのどちらでもありません。スーパーコンピュータを使った計算科学で迫る、素粒子の世界です。HPCI戦略プログラム分野5でユーザー支援を担当する、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の野秋淳一(のあき・じゅんいち)特任助教に話を聞きました。流れ星が消える前に願い事を3回唱えると願いがかなう、という言い伝えを信じるなら、夏は願い事をかなえるのに適した季節です。7月下旬にはみずがめ座流星群が、8月中旬にはペルセウス座流星群がピークをむかえます。多くの流れ星に願いをかけられることでしょう。慶(こたけ・けい)助教です。手引き広報からリンク。