研究するひと #33
岩⽥⾼広
極小世界の謎に迫る壮大なロマン
核子スピン研究の中枢を担う。
2021.01.15
極小世界の謎に迫る壮大なロマン
物質の最小単位である陽子や中性子の内部構造の解明を目指す、岩田高広教授が推進する研究が、山形大学初となる大型の科学研究費補助金・基盤研究（S）に採択された。研究課題は「大型偏極ターゲットを用いた核子スピンのクォーク構造の解明」。岩田先生等がスイスの原子核研究機構（CERN）で行っている、13カ国による国際共同研究が加速し、新たな素粒子理論の構築などにつながるものと期待されている。
核子スピンの起源に新たな仮説
国際共同研究で日本が重責担う。
自然界に存在するさまざまなものや出来事を探究する理学の世界。その中でも岩田先生が探求し続けているのが、物質の最小単位である陽子や中性子の内部構造。世界13カ国、200名以上の研究者が参加するCOMPASS国際共同研究に日本グループの代表メンバーとして参画し、長年、スイス・ジュネーブにあるヨーロッパ原子核研究機構（CERN）において実験、研究を行っている。核子（陽子や中性子の総称）はクォークと呼ばれる素粒子が結合してできており、コマのように自分自身で回転する性質（スピン）を持っている。従来、その核子スピンはクォークのスピンに起因すると考えられていたが、これまでの研究でクォークスピンの影響は3割程度に過ぎないということが判明。“スピンクライシス”と呼ばれるほど世界中の物理学者が頭を抱え、「核子スピンの真の起源は何か」という謎の解明が待たれている。
CERNの世界最大級の偏極ターゲット装置を用いて、核子スピンの起源に迫る研究を行う中で、岩田先生率いる日本グループは、スピン偏極ターゲットや大型水素ターゲットの技術を使って中心的な役割を果たしている。現在、COMPASS国際共同研究では、核子中のクォークの自転ではなく軌道回転（公転）に注目している。
原子核を構成する陽子と中性子の総称が核子。核子はさらに微小なクォークでできており、クォークも自転（スピン）の性質があることから核子スピンの源と考えられていたが…。
謎の解明と本学の国際化に追い風
核子スピン研究が科研費に採択。
従来理論では、核子スピンに対するクォークの公転効果はゼロとされていたが、岩田先生等の実験結果から公転効果の存在が示唆されたのだ。クォークの公転効果の存在を確認するためには、さらに精密な測定を行ってデータを補強する必要がある。この核子スピンの研究が、研究課題「大型偏極ターゲットを用いた核子スピンのクォーク構造の解明」として、日本学術振興会科学研究費補助金（科研費）の基盤研究（S）に採択された。科研費は、人文学、社会科学から自然科学まで全ての分野にわたり、基礎から応用までのあらゆる独創的・先駆的な「学術研究」を目的とするもので、基盤研究（S）は、助成規模が2番目に大きな種類で、本学における採択は今回が初めて。核子スピンの起源が解明されること、そして、新たな素粒子理論が構築されることへの期待の大きさがうかがえる。
本研究は、2020年度から4年間にわたって研究経費が助成される見通しで、これによってスイス・ジュネーブのCERNで行われている国際共同研究が活性化し、本学の更なる国際化にも波及するものと期待される。2021年、2022年にそれぞれ約6カ月間、24時間体制で実験を行い、それと並行してデータ解析を進めて論文にまとめ、2023年には研究発表を行うとするロードマップが描かれている。
スイス・ジュネーブの郊外にある原子核・素粒子研究のための国際共同研究所。世界最先端の粒子加速器を擁しており、山形大学とは2008年に共同研究の協定を結んでいる。
世界最大級の偏極ターゲットを含む、全長50mの実験装置。手前が実験の中核装置である偏極ターゲットで原子核のスピンの方向をそろえる特殊な装置。その設計、製作を日本グループが担当。
COMPASS実験が誇る世界最大の偏極ターゲット。陽子などを絶対温度0.05Kの極低温まで冷却し、超伝導電磁石で2.5Tの強磁場をかけ、マイクロ波を照射することによって、そのスピンを90%以上そろえることができる。
偏極ターゲットを調整している堂下助教。本装置の運転には極低温、強磁場、高真空、マイクロ波、核磁気共鳴、電子スピン共鳴など様々な技術が必要。十分な経験を積んだ研究者の地道な努力によって研究が可能になっている。
コロナ禍によりリモートで実験
研究成果と学生の育成も重要視。
COMPASS日本グループは、山形大学、宮崎大学、中部大学、KEK（高エネルギー加速器研究機構）で構成されている。現在、岩田先生の教え子で本学助教の堂下典弘先生がジュネーブに常駐し、COMPASS大型偏極ターゲットの調整などにあたっている。本来であれば、岩田先生も大学とジュネーブを行き来したいところだが、新型コロナウイルス感染症の影響で渡欧は叶わない。しかし、リモートにより大学に居ながらにしてCERNの偏極ターゲット装置の状況をモニターでチェックし、バルブを捻るなどの調整もできるというから、実験計画に支障はなさそうだ。
1991年からCERNでの国際共同実験に参加している岩田先生のモチベーションは、自然界の謎を解き明かしたいという探究心。「人の役に立つ研究も必要だが、原理を突き詰めることも大事。新しいものは、案外、失敗から生まれるもの。学生たちの突飛なアイデアがヒントになることもあります」と岩田先生。国際機関が集中する都市ジュネーブ、世界的視野を広げる意味でも多くの学生たちをCERNに連れて行きたい考えだ。今回のCOMPASS国際共同研究が成果を収め、その過程において、次の新たな謎に挑む若き研究者が育成されることを、期待をもって見守りたい。
学内に設置された実験装置。階下にまで続いており、陽子のスピンの方向を固定するために−272℃に設定。ここで得られた実験データをCERNでの実験に反映させる。
実験装置の状態をリモートで監視中のモニター画面。温度や圧力、ヘリウムガスの流量などのデータから、装置が上手く働いているかをチェック。
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いわたたかひろ●教授／専門は素粒子・原子核物理学。名古屋大学大学院理学研究科修了、博士（理学）。COMPASS国際共同研究に日本グループの代表メンバーとして参加。偏極ターゲット装置に関して重要な役割を担っている。
※内容や所属等は2020年12月当時のものです。
