原子核物理はさまざまな分野の結び目

私がどのようにして原子核物理の分野に辿り着いたのかについて思い返してみると、たまたまだったような気もするし必然だったような気もします。何処か或る時点で特に鮮烈な体験があってこの分野を志したわけでもなく、少し考えて見る限りはたまたまこの分野に迷い込んだように思われます。しかし、よくよく振り返ってみると、無意識に自分の性分に合う分野に自然と行き着いたような気もします。昔から何か一つのことを選ぶのが苦手でした。たまたまですが、進学先の高校や大学の教育理念も、できるだけ広く学ぶことを推奨するものでした。当時は意識しませんでしたが、最終的に物理を選んだのもさまざまな学問分野に通ずる側面があるように思われたからだし、中でも原子核物理を選んだのも結局はさまざまな物理の領域に繋がりがあると感じられたからだったように思います。原子核物理には素粒子・宇宙・物性・非平衡など物理のさまざまな分野との結び付きがあります。「あらゆる物理の分野に精通しあらゆる分野の当事者として関わることは不可能でも、さまざまな分野と関係がある原子核物理に軸足を置けば色々の話題に自然と触れる機会がありそうだ」などと原子核物理に足を踏み入れた当初は、腹の内で少々不純なことを考えていました。

原子核物理分野では、素粒子の標準模型の一角である量子色力学(QCD)を基礎にして、素粒子であるクォークやグルーオンから陽子・中性子・中間子などのハドロンを組み立て、更にそれらを組み合わせて原子核を組み立てること、また中性子星や超新星爆発などの極限状況における核物質の物性を調べることを初めとして色々な目標があります。幅広い衝突エネルギーにおける原子核衝突実験が主な実験的手法ですが、実験結果から意味のある情報を取り出すために、多自由度量子系の非平衡な実時間発展を色々な手法で記述します。原子核物理には、このように素粒子・宇宙・物性・非平衡などのさまざまな分野との結び付きがあり、それに従って使われる手法も多岐に亘ります。個人的に、原子核物理は物理のさまざまな領域の結節点になっていると感じています。原子核物理の研究者は誰しも、多かれ少なかれ、この分野のこの側面に魅入られたのではないかと思っています。

現在の私の主な研究対象は高エネルギー原子核衝突反応のダイナミクスです。高エネルギー原子核衝突実験は、現在の加速器技術で可能な最高の衝突エネルギー帯における原子核同士の衝突実験です。原子核は陽子や中性子といった核子から成りますが、このエネルギー領域では核子すらもばらばらになって、素粒子であるクォークやグルーオンの自由度が反応に直接寄与すると考えられています。この実験の究極的な目標の一つは、クォークやグルーオンから成る平衡物質の性質の地図たる、QCD相図を埋めることです。一方で、実験で生成される物質は平衡からは程遠い過程を経て刹那の内に消滅し、残ったハドロンの運動量分布が測定されます。生成物質の平衡における性質を知るには、最終状態のハドロン分布からダイナミクスを遡る必要があります。しかし、衝突反応は多様な過程・現象を含み、全てのダイナミクスを現実的に記述できる一貫した単純な模型はありません。代わりに複数の模型を繋ぎ合わせて衝突反応全体を記述します。現代の動的模型では、相対論、統計力学、流体力学、運動論、古典場・量子場の実時間発展、ゆらぎの熱力学、臨界現象とその動力学など、一つの枠組みの中に物理におけるさまざまな考え方や手法が混然とひしめき合い、物理学の箱庭のようになっています。動的模型は未だ発展途上です。未だ考えられていない効果の他に、乱暴な近似をしている箇所、異なる模型の接続点における物理的な不整合などの課題がたくさんありますし、現行の模型自体の性質もよく調べられているとは言えません。クォークやグルーオンから成る物質の性質の解明を究極的な目標として、動的模型の理論的性質の探究と発展を試行錯誤しています。

色々のものごとが一点で繋がる瞬間

基礎研究はすぐには人々の暮らしに還元されません。私が行っている研究が生きている内に人々に何か益をもたらすことはなかなかないだろうし、人から感謝されることもないだろうと思っています。分野の多くの研究者によって少しずつQCDへの理解が深まり、数十年か数百年の後に何か時代を変えるような成果が得られる可能性があるのだろうと思っています。では、崇高な人類の目標のために己を殺して見返りもなく研究を行っているのか、というとそうでもありません。やりがいと呼べるのか分かりませんが、研究を行っているとたまに視界が急に開けてそのとき取り組んでいる内容についての理解が不連続に深まる瞬間があります。全てが綺麗に繋がって一点に収束する感覚、新しい直観を得る感覚、これまで時間をかけて手探りでやっていたことが簡単にできるようになる感覚――たまに訪れるこのような強烈な個人的体験のために私は研究を続けているのかもしれません。

研究は試行錯誤です。研究は大体目算を立ててから始めるものですが、当初の期待の通りに進むことは滅多にありません。計算をしている途中や計算結果を見ているときに気づくことが必ずあります。すると計算設定や計算手法を変えて最初からやり直したくなります。何度も計算をやり直した後に、それらをぼんやりと俯瞰していると、ふと何かに気づき色々な事柄が頭の中で繋がることがあります。そうすると、それまでに苦労して行っていた計算の殆どは自明なもののように思われて、一方で新しい感覚を手に入れた気持ちになります。更に新しい課題も見えてきます。研究はそのようなことの繰り返しのように思います。研究者を志す学生の方には、何度でも設定や方法を変えて計算をやり直し、それらを俯瞰するということをやってみて欲しいと思います。

非平衡過程の試験場としての高エネルギー原子核衝突反応

自身の高エネルギー原子核衝突反応の動的模型に必要と考えられるさまざまな効果を取り入れて、その物理的な性質を調べていきたいと考えています。しかし、一人だけでは全てを網羅することは困難です。動的模型に含まれる一つ一つの模型の専門家と協力体制を築いて動的模型を発展させ、最終的には動的模型を系統的に調べられるような枠組みを作りたいと思っています。個人的には、その過程で様々な手法について学んで視野を広げたいとも思っています。

更に衝突反応に取り組む上で、衝突反応に限らない物理の一般的な問題に直面することがあります。それらを一つ一つ解決し、その知識を原子核物理の外の分野に還元して行けたら良いなとも考えています。今は、流体力学に現れる熱ゆらぎの性質に興味があります。既に、衝突反応の記述を試みる中で、局所平衡から離れた系の流体力学的記述に対して分かってきたことがあります。この結果を他の希薄ガス、メゾスコピック系、宇宙のプラズマや大規模構造の発展など、他の非平衡系に対しても適用できたら良いなと思っています。もしかすると、高エネルギー原子核衝突反応を非平衡過程の一つの標準的な試験場として捉えられる時代が来るかもしれません。

泥臭い計算の中に新しい構造と手法を見出す

一概には言えませんが、傾向としては、素粒子論が基礎理論の開拓領域であるのに対して、原子核理論は計算手法の開拓領域であるように個人的に思っています。基礎理論のラグランジアンが分かったとしても現実的にそのまま計算ができるわけではありません。真空や平衡状態の周りの摂動的な部分を除けば分かることは少ないものです。原子核理論における研究の対象は多岐に亘りますが、量子色力学の非摂動的な性質や、量子多体系の構造やその時間発展など、他の分野と比べて特に計算が困難な問題に真っ向から挑んでいるのではないかという気がしています。

原子核物理の中でも、私の考えている高エネルギー原子核衝突の分野領域は、理論的に確かな裏付けのある手法がなく、特に手探りで進めている領域のように思います。原子核同士が衝突して、そこから様々な反応を経て対消滅・対生成を繰り返すクォークやグルーオンのプラズマ状態が現れます。それが時空発展をして、膨張・冷却した末に再結合してハドロンに戻り、ハドロンが散乱・崩壊をします。この複雑な実時間量子発展を追わなければなりません。真面目にやろうと思ったら何処から考え始めて良いのかも見当がつきません。無限自由度系の第一原理計算は計算量的に非現実的です。代わりに、古典場の発展・運動論・流体力学などの実効的な理論によって記述することを考えるのですが、これらの理論は本来は特定の極限でしか有効ではありません。実際の衝突過程に当て嵌めて考えると、何れも到底良い記述にはならないように思われます。今のところ、実験で得られるハドロンの運動量分布の色々な性質を動的模型で説明できているように見えますが、果たして現在の動的模型による記述が本当に現実の物理に対応しているのかも、本当のところ確証はありません。

一見すると絶望的のようですが、寧ろここが力の見せ所のように思います。基本的な手法や枠組みが確立した領域で比較的綺麗で堅牢な議論をするのもおもしろいですが、それだけでは完全に新しい手法や枠組みはなかなか生まれません。右も左も分からない所から、新しい枠組みや手法を一から作り上げるのもとても気分が良いものです。その時、「物理の対象は現実に存在するのだから値が存在するはず、どんなに泥臭く汚いことをしても、近似でも良いのでその値を求めてやる」という意地が大切だなと感じます。新しい計算が最初はどんなに汚く感じられても、振り返りながら構造を整理していけば、存外何でも綺麗にまとめることができるのではないかというのが、最近思うことです。