プレスリリース

平成23年7月21日
筑波大学

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概要

ポイント

・2007年8月16日、埼玉県熊谷市で日本の観測史上最高気温となる40.9℃を記録しました。

・この要因は、断熱昇温によるフェーン現象「力学的フェーン」であると一般的には考えられていました。

・しかしながら、筑波大学計算科学研究センターの日下博幸研究室に所属する髙根雄也大学院生（大学院生命環境科学研究科（博士後期課程）地球環境科学専攻2年）が、熊谷猛暑のメカニズム解明に取り組んだ結果、力学的フェーンとは異なる、おもに3つのメカニズムによって記録的な猛暑となったことがわかりました。

1. フェーンに類似しているが、それとは異なるタイプの山越え気流の現象（foehn-like wind）が発生していた。
2. 前日までの連続した晴天が、このフェーンに似た現象を強めていた。
3. このフェーンに似た風が、東京湾や相模湾からの海風と「収束線」を形成していた。

概要

筑波大学の髙根雄也大学院生（大学院生命環境科学研究科（博士後期課程）地球環境科学専攻2年）と、筑波大学計算科学研究センターの日下博幸准教授は、2007年8月16日に熊谷猛暑^＊1が起こったメカニズムについて新説を提案しました。

2007年8月16日の14時42分、埼玉県熊谷市で日本の観測史上最高気温となる40.9℃を記録しました。この熊谷猛暑は、これまで、上空の空気塊の断熱圧縮によって風下側の地上付近の気温上昇がもたらされる「力学的フェーン」が主な要因と考えられていました。

しかし髙根大学院生らは、この熊谷猛暑を引き起こした主要因は、力学的フェーンではなく、フェーンに類似しているものの、それとは異なる山越え気流の現象（foehn-like wind）であるという、従来とは異なる説を提唱しました。さらには、この猛暑が発生する前に晴天日が続いていたこと、フェーンに似た風が東京湾・相模湾海風と「収束線」を形成していたことも重要な要因となったことをつきとめました。これらは、過去11年間の観測データを用いた統計解析や領域気象モデルと、筑波大学計算科学研究センターのスーパーコンピュータ「T2K-Tsukuba」を使った数値実験によって明らかになりました。

この研究成果は、米国気象学会の学術誌「Journal of Applied Meteorology and Climatology」に受理され、現在、同学会のウエブサイトに掲載されています。

1.研究の背景

2007年8月16日の14時42分、埼玉県熊谷市で日本の観測史上最高気温40.9℃を記録しました。この極端な猛暑の主要因は、上空にある高い温位^＊2の空気塊が、風下側の地上付近まで下降することにより高温をもたらす「力学的フェーン」であると、複数の先行研究によって指摘されていました。しかしながら、いずれの先行研究においても、状況証拠に基づく定性的な説明しかなされておらず、定量的な証拠は示されていませんでした。そのため、この猛暑のメカニズムについては、仮説の域にとどまっていました。

2.研究手法

気象庁によって観測された過去11年間のデータを用いた統計解析、数値シミュレーション結果の解析；熊谷の昇温要因を定量的に調べる「カラム大気の熱収支解析」、山越え気流のルートを調べる「後方流跡線解析」、山越え気流の水平・鉛直構造を調べる「オイラー・トレーサー実験」、山越え気流の空気塊が保有する熱量の変化を調べる「ラグランジュアン熱収支解析」、山岳表面から供給された熱エネルギーの効果を調べる「土壌水分量の感度実験」など、定量的な解析を行いました。

3.成果の内容

2007年8月16日の熊谷猛暑（図1a）の形成メカニズムを、過去11年間の観測データを用いた統計解析や領域気象モデルと筑波大学計算科学研究センターのスーパーコンピュータ「T2K-Tsukuba」を使った数値実験によって解析しました。その結果、以下のことがわかりました。

• (i) 8月16日の熊谷の日照時間は過去11年間の7、8月の統計値で72番目に高い値でした。したがって、日射は猛暑発生の必要条件ではありますが十分条件ではありません。
• (ii) 上空1,500 m付近（850 hPa）の気温は過去11年間の7、8月の統計値で30番目に高い値でした。したがって、日本列島を覆うような大きなスケールでの高温は、熊谷猛暑の必要条件ではありますが十分条件ではありません。
• (iii) 8月16日の前7日間は晴天日が持続していました。この連続晴天は土壌の乾燥化をもたらします。熊谷の風上の中部山岳域における土壌の乾燥化が、8月16日の熊谷猛暑に寄与していたことが、数値シミュレーションによって確かめられました。
• (iv) 熊谷猛暑の際に風が通った道筋を調べると、大きく分けて高い高度からのものと低い高度からの2つの流れがあることがわかりました。高い高度の流れは力学的フェーン（図2）と考えられ、それに加えて別のフェーンの存在が考えられました。これを詳しく調査した結果、これは、空気塊が山岳地帯や平野部の大気境界層内を吹走する際に、地表面から加熱されながら、山岳の風下側に高温をもたらす現象（図3）であることがわかりました。通常の力学的フェーンの性格も併せ持ちますが、地面から加熱を受けながら空気塊が吹走する点が異なります。髙根大学院生らはこの現象を「foehn-like wind」と呼んでいます。
• (v) このフェーンに似た、しかし物理的には異なる山越え気流は東京湾や相模湾からの海風と収束線を形成し（図1b）、相対的に冷たい海風の侵入を阻み、収束線の北側の高温を維持していました（図3）。

以上の要因の組み合わせ、特に、(iii)-(v) によって、2007年8月16日の記録的な猛暑が発生したことがわかりました。

　
図1：2007年8月16日14時40分における（a）地上気温と（b）地上風の水平分布

図2：力学的フェーンの概念図

図3：foehn-like windの概念図

4.今後の予定

高根大学院生らは、現在、2011年6月24日に熊谷市で発生した39.8℃の猛暑（日本の6月の最高気温の記録を更新）についても、観測データの解析や領域気象モデルとT2K-Tsukubaを使用した数値シミュレーションによって、その原因を調査しています。

髙根大学院生を含む日下研究室のメンバーは熊谷市だけでなく、岐阜県多治見市も研究対象としています。2010年5月、筑波大学計算科学研究センターは多治見市と、共同研究の協定を結びました。多治見猛暑の実態と原因を探り、対策につなげるのがねらいです。2010年から継続的な調査を行っており、2年目となる2011年も7月から8月にかけて実地観測を行います。

観測と数値シミュレーションから猛暑のメカニズムを解明することは、暑さに対しての適切な対策を考えるために欠かせない材料となります。

5.関連情報

論文の概要｜米国気象学会（AMS）
http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JAMC-D-10-05032.1?prevSearch=[all%3A+Takane]&searchHistoryKey=
＊本文の閲覧には契約が必要です。契約者以外は概要（Abstract）のみ閲覧可能です。

6.用語解説

*1　猛暑：同じ日に岐阜県多治見市でも、日本の観測史上最高気温40.9℃を記録しました。

*2　温位：上空の乾燥空気塊を断熱的に基準圧力（ふつう1気圧）にもってきたときの空気塊の温度。ポテンシャル温度ともいう（日本気象学会編、気象科学事典）

問い合わせ先

筑波大学計算科学研究センター 准教授　日下博幸（Hiroyuki Kusaka）
筑波大学大学院生命環境科学研究科 博士後期課程2年　髙根雄也（Yuya Takane）

報道担当：
筑波大学広報室
電話029-853-2040　FAX 029-853-2014
筑波大学計算科学研究センター広報室
電話029-853-6487　FAX 029-853-6406　E-MAIL：pr [at] ccs.tsukuba.ac.jp

プレスリリース

平成23年7月20日
筑波大学

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概要

ポイント

　国際的かつ分野横断的な研究課題をG8の多国間共同で実施するにあたり、各国の学術支援機関が資金を提供する「多国間国際研究協力事業（G8RCI）」が平成23年度から始まり、筑波大学計算科学研究センターの教員を研究代表者とする2つの研究グループが採択されました。

　79件の応募の中から採択されたのはわずか6件であり、このような高倍率の中で2件も採択されたことは、計算科学研究センターが国際的に高く評価されている表れといえます。

多国間国際研究協力事業について

　多国間国際研究協力事業（G8 Research Councils Initiative：G8RCI）は、国際的で分野横断的な研究に対して、G8各国の学術振興機関が協力して研究資金の提供を行い、多国間の共同研究を推進する事業です。3カ国以上の研究プロジェクトからなるコンソーシアム単位で採択するのが特徴です（図1）。

　2008年に京都で開催されたG8の学術支援機関長会議（G8-HORCs）において、多国間共同研究の支援事業の設立について提案があり、日本、カナダ、フランス、ドイツ、ロシア、イギリス、アメリカの7カ国が参加して事業を行うことになりました。各国の学術振興機関、日本学術振興会JSPS（日本）、NSERC（カナダ）、ANR（フランス）、DFG（ドイツ）、RFBR（ロシア）、RCUK（イギリス）、NSF（アメリカ）が協力して、研究資金の提供を行います。

　平成22年度から5年間にわたって3回の公募を実施する予定で、採用期間は2～3年間です。第1回（平成22年度）の公募テーマは「エクサスケール^*1・コンピューティングを視野に入れた地球規模課題のための応用ソフトに関する学際的プログラム」で、79件の応募の中から6件の研究コンソーシアムが採択されました。1回の公募あたりの3年間の予算総額は、全参加学術支援機関を合わせて、およそ1000万ユーロ（約11億2000万円）です。

図1　研究コンソーシアムの例（提供：日本学術振興会）

筑波大学計算科学研究センターが関係する研究コンソーシアム

　第1回公募で採択された6件のコンソーシアムのうち2件で、筑波大学計算科学研究センターの教員を研究代表者とするプロジェクトが採択されました。佐藤三久教授（センター長）は「ECS：エクサスケール・コンピューティングによる精緻な気候シミュレーションの実現」において、朴 泰祐教授（副センター長）は「NuFuSE：エクサスケール・コンピューティングにおける核融合シミュレーション」においてです。

○ ECS：Enabling Climate Simulation at Extreme Scale
エクサスケール・コンピューティングによる精緻な気候シミュレーションの実現
研究プロジェクト代表者　佐藤三久教授（筑波大学計算科学研究センター長）

　「ECS」には日本のほか、アメリカ、フランス、ドイツ、スペイン、カナダの6カ国の研究者が参加します。エクサスケール・コンピューティングでは、超高解像度のモデルの導入や、より複雑な計算ができるようになり、より精度の高い気候変動予測が可能になります。このプロジェクトにはアメリカのBlue Waters、スペインの Marenostrum2 、ドイツのJUGENEが使用されます。日本では、京速コンピュータ「京」とTSUBAME2.0のほか、筑波大学計算科学研究センターのT2K-Tsukubaが使用されます。

　また「ECS」の国内研究プロジェクトとしては、佐藤センター長のプロジェクト以外に、東京工業大学学術国際情報センターの松岡 聡教授のプロジェクトも選ばれています。

　「ECS」は3年間で総額約125万ユーロ（約1億4000万円）の研究経費を見込んでおり、佐藤センター長のプロジェクトには日本学術振興会から3年間で約1600万円が提供される予定です。

○ NuFuSE：Nuclear Fusion Simulations at Exascale
エクサスケール・コンピューティングにおける核融合シミュレーション
研究プロジェクト代表者　朴 泰祐教授（筑波大学計算科学研究センター副センター長）

　「NuFuSE」はイギリス、ドイツ、フランス、アメリカ、ロシアを含めた6カ国の研究者らと協力して研究を行います。核融合反応は恒星のエネルギー源であり、将来のエネルギー資源として期待されています。国際熱核融合実験炉（ITER）などの大規模実験を進める上で重要となる、GT5D、GKV、MEGA、GpicMHD等^*2の国内開発核融合シミュレーションコードのエクサスケールに向けた大規模並列化・高性能化を、計算工学と計算機科学の協調と、多国間協力関係の下で進めます。さらに新しい世代の並列言語による核融合シミュレーションコード開発にも挑戦します。

　これらを実現するためには、アプリケーション（計算科学）からシステム（計算機科学）への全領域において国際的な連携が必要です。具体的にはまず、アプリケーション側で各国内のコード開発を進め、システム側はそれをサポートするという国単位のローカルな形で進めます。一方で、アルゴリズム、コード、システムのレベルごとに、国際的に連携しつつ最適化を議論していくことになります。

　このプロジェクトではT2K-Tsukubaのほか、青森県六カ所村のITERマシン、核融合科学研究所のスーパーコンピュータを用います。さらにプロジェクトの後半には、筑波大学計算科学研究センターに導入される次世代スーパーコンピュータにも展開する予定です。

　「NuFuSE」は3年間で総額約175万ユーロ（約1億9600万円）の研究経費を見込んでおり、朴副センター長のプロジェクトには日本学術振興会から3年間で約2600万円が提供される予定です。

用語解説

*1　エクサスケール：エクサは10¹⁸を表し、エクサスケールのスーパーコンピュータでは1秒間に10¹⁸回の演算が可能になります。これは京速コンピュータ「京」の100倍の速さに相当します。

*2　GT5D, GKV, MEGA, GpicMHD等：核融合シミュレーションでは、磁気流体力学に基づく場のシミュレーションと粒子シミュレーションを複合的に行う必要があり、様々な手法が研究されています。これらのシミュレーションプログラムは、日本国内で研究開発が進められている国際的にも認知されているもので、どのような計算手法を用いるかがそれぞれ異なります。いずれも高精度・大規模なシミュレーションを行うべく開発が進められています。

関連情報

  日本学術振興会（JSPS）ホームページ
事業概要：http://www.jsps.go.jp/j-bottom/01_b_gaiyo.html
申請・採用状況：http://www.jsps.go.jp/j-bottom/04_b_jyoukyou.html
DFG（第1回公募事務局）ホームページ
http://www.dfg.de/en/research_funding/international_cooperation/research_collaboration/g8-initiative/
「ECS」研究課題概要：
http://www.dfg.de/download/pdf/foerderung/internationale_kooperation/g8-initiative/enabling_climate_simulation.pdf
「NuFuSE」研究課題概要：
http://www.dfg.de/download/pdf/foerderung/internationale_kooperation/g8-initiative/nuclear_fusion.pdf
「ECS」フランス研究代表者所属機関（INRIA）発表資料
http://en.inria.fr/news/news-from-inria/g8-enabling-climate-simulation
 

問い合わせ先

担当者：
佐藤三久（筑波大学計算科学研究センター教授／センター長）
朴 泰祐（筑波大学計算科学研究センター教授／副センター長）

報道担当：
筑波大学計算科学研究センター広報室
電話 029-853-6487　FAX 029-853-6406　E-mail：pr [at] ccs.tsukuba.ac.jp
筑波大学広報室
電話 029-853-2040　FAX 029-853-2014

プレスリリース

平成23年5月24日
国立大学法人 筑波大学
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

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概要

ポイント

○　平成23年3月11日に発生した東日本大震災に伴う電力不足により、各研究機関においてスーパーコンピュータの運用が今も制限されています。
○　このような状況の中、アメリカの素粒子理論研究者らで構成される「USQCD Collaboration^*1」から日本の同分野の「格子場理論^*2フォーラム」に対し、計算資源提供による国際協力の提案がありました。
○　この提案に対し両者間で調整を重ねた結果、今般合意に至り、5月19日からフェルミ国立加速器研究所（FNAL）、トーマス・ジェファーソン国立加速器施設（Jefferson Lab）、ブルックヘブン国立研究所（BNL）のスーパーコンピュータの利用を開始することとなりました。

概要

　日本の素粒子理論研究者らが構成する「格子場理論フォーラム」（代表：宇川 彰・筑波大学副学長・理事）は、アメリカの研究機関から計算資源（スーパーコンピュータ）の提供を受ける形での国際協力について、USQCD Collaboration（代表：Paul Mackenzie・フェルミ国立加速器研究所）と合意し、5月19日に利用を開始しました。国際協力が実現したのは、素粒子理論分野の中でも、計算機シミュレーションにより量子色力学^*3（QCD：Quantum Chromodynamics）の研究を行う「格子QCD」のコミュニティです。

　2011年3月11日に起こった東日本大震災に伴う電力不足により、東日本にある研究機関のスーパーコンピュータの運用は大きく制限され、格子QCDの研究にも影響が出ています。そのような中、同分野の世界的な研究コミュニティの一員であり、従来は研究上の激しい競争相手でもあったUSQCD Collaborationから日本を支援する声があがりました。交渉を進めた結果、アメリカの3つの研究機関（FNAL・Jefferson Lab・BNL）が計算資源の一部を無償で提供する形で、国際協力が実現しました。

　格子場理論フォーラムは、FNAL、Jefferson Labに設置されたスーパーコンピュータのおよそ1割、22TFlopsを上回る計算資源を約半年間にわたり使用します。これは、当該研究コミュニティが従来使用していた計算資源のおよそ1割に相当する量です。その他BNLからも、計算資源の一部が提供されます。なお、日本側研究者は、インターネットを通じて日本からこれら米国研究機関のスーパーコンピュータを使用することとなります。
今回の協力実現は、格子QCDコミュニティの国際的な結びつきの強さを示すもので、日米の研究者らは、これを機に国際共同研究など研究上の協力関係が深まることを期待しています。

用語解説

*1　USQCD Collaboration：アメリカの格子QCD研究コミュニティの組織。研究計画の推進、計算資源の整備、配分等に関する協議を行っている。
USQCDウエブサイト　http://www.usqcd.org/collaboration.html

*2　格子場理論：素粒子の基礎理論はゲージ場の理論と呼ばれる、空間のあらゆる点に物理的自由度をもつ理論を基にしている。連続空間を格子で近似し、自由度を格子点上に限定することで、理論について計算機シミュレーションを用いて解析することが可能になる。量子色力学の研究等で広く用いられている。同フォーラムは、これらについて討論している日本の格子QCD研究コミュニティ。

*3　量子色力学：自然界の4つの基本相互作用の一つ、「強い相互作用」の基礎理論。相互作用が強いという特質をもち、クォークの閉じ込めや自発的対称性の破れといった現象を起こす。理論計算が非常に難しく、スーパーコンピュータを用いた大規模シミュレーションによる計算で、その性質が研究されている。

参考

イギリスの工学・物理科学研究会議（EPSRC）からは、科学技術振興機構（JST）を通じて、震災の影響を受けた研究者への計算資源提供の申し出がなされ、ヨーロッパからも支援の声があがっています。

問い合わせ先

「格子場理論フォーラム」代表
宇川 彰（筑波大学副学長・理事）
青木慎也（筑波大学計算科学研究センター教授）
橋本省二（高エネルギー加速器研究機構教授）

＜取材に関する窓口＞
筑波大学計算科学研究センター広報室　吉戸智明
電話 029-853-6487　FAX 029-853-6406　E-mail：yoshito [at] ccs.tsukuba.ac.jp
筑波大学広報室
電話 029-853-2040　FAX 029-853-2014
高エネルギー加速器研究機構　広報室長　森田洋平
電話 029-879-6047　Fax 029-879-6049　E-mail：press [at] kek.jp

プレスリリース

2011年4月21日
学校法人日本大学
国立大学法人筑波大学

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概要

ポイント

・30年以上にわたり存在が確認できなかったクォーク6個からなる粒子「H-ダイバリオン」が、スーパーコンピュータを用いた大規模シミュレーションにより捉えられました。

・H-ダイバリオンの解明をきっかけに、天然には存在しない原子核の研究が進展すると期待されます。

・中性子星の内部構造や超新星爆発など宇宙の物理現象に関する新たな知見の獲得にもつながります。

概要

日本大学生物資源科学部の井上貴史助教、筑波大学計算科学研究センターの青木慎也教授、石井理修准教授、東京大学大学院理学系研究科の初田哲男教授をはじめとする研究グループ（HAL QCD Collaboration）は、クォーク6つからなる粒子「H-ダイバリオン」の解明への端緒を開きました。この成果は、筑波大学計算科学センターのスーパーコンピュータT2K-Tsukubaを用いた大規模数値シミュレーションによるものです。

H-ダイバリオンは、1977年にロバート・ヤッフェ博士により存在を予言された粒子です。ところが、長年の理論的研究や粒子加速器を用いた実験的探査にも関わらず、現在に至るまでその存在は確認できていません。H-ダイバリオンはクォーク6つがコンパクトにまとまった粒子で、通常の原子核とは全く異なった性質を持ちます。

研究グループは、クォークの基礎理論である量子色力学（QCD）を大規模数値シミュレーションで解く「格子QCD」という手法に、計算上の様々な困難を打破する独自の工夫を加えて、SU(3)極限とよばれる理想的状況におけるH-ダイバリオンの質量や空間的大きさなどを明らかにしました。

今回の研究は、H-ダイバリオンだけでなく、粒子加速器でしか作れないストレンジクォークやチャームクォークを含む新しい原子核の研究にもつながります。それらは、中性子星の内部構造や超新星爆発を理解する鍵となるだけでなく、茨城県東海村で稼働を始めた大強度陽子加速器施設J-PARC における実験的研究とも密接に関係しています。

この研究成果は、米国物理学会の『フィジカル・レビュー・レター』誌2011 年4月22日号およびオンライン版（4月20日更新）に掲載されます。また、本研究は4月22日号のハイライトに選定されました。冒頭に、エディターによる概要が掲載されます。

1．背景

原子核を構成する陽子や中性子を総称してバリオン^＊1とよびます。1964年、マレー・ゲルマン博士（1969年ノーベル物理学賞受賞）は、このバリオンが3つのクォーク^＊2で構成されるとするクォーク模型を提唱しました。

さらに、小林 誠博士、益川敏英博士（2008年ノーベル物理学賞受賞）は、クォークが全部で6種類あることを予言しました。質量の軽い順に、アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップとよびます。また、クォークを支配する理論は量子色力学^＊3であることもわかりました。しかし、量子色力学は、クォーク間の相互作用を媒介するグルーオン^＊4が互いに複雑な相互作用をするために、解くことが極めて難しく、バリオンの性質を理論的に導くことができませんでした。

そこで、量子色力学の重要な特徴を備えつつも扱いやすい理論を作り、バリオンなどの性質を調べる研究が盛んに行われました。これを有効模型といいます。1977年、ロバート・ヤッフェ博士は、バッグ模型とよばれる有効模型を用いて、6つのクォークがコンパクトにまとまった粒子が存在する可能性に気づきました（図1）。この粒子は2つのストレンジクォーク^＊2を含みます。これは、バリオンの一種であるラムダ粒子^＊2が2つあるのと同じ構成です。そのため、バリオン2つぶんという意味でH–ダイバリオンとよばれています。

H–ダイバリオンの存在には、クォークの持つ軌道、スピン、フレーバー^＊2、カラーの自由度とフェルミ統計性^＊5が本質的に重要です。他の有効模型を用いた研究からもその存在は示唆されています。H–ダイバリオンは、バリオンにもメソン^＊6にも分類されない“エキゾチックな”ハドロン^＊6で、存在が確定した場合の物理学へのインパクトは非常に大きなものです。そのため、粒子加速器を用いた探査実験が数多く行われましたが、残念ながら現在まで発見されていません。また、H–ダイバリオンが、有効模型から予想されるにすぎない粒子であるとして、その存在に否定的な研究者も少なくありませんでした。

図1　バリオン、メソン、H-ダイバリオンの模式図。u：アップクォーク、d：ダウンクォーク、s：ストレンジクォーク。バー（－）は反クォークを、矢印（↑）はスピンを表している。

2．研究方法1：格子ゲージ理論と高性能スーパーコンピュータ

量子色力学の複雑な計算を可能にする方法として、ケン・ウィルソン博士（1982年ノーベル物理学賞受賞）により提唱されたのが、格子ゲージ理論^＊7です。これは量子色力学を連続的な4次元時空間ではなく、離散的な4次元格子空間上に構築するもので、スーパーコンピュータを使った大規模数値シミュレーションに適しています。近年、陽子や中性子の質量の精密計算が、この手法で可能になりました。日本はアメリカやヨーロッパにならび、格子ゲージ理論研究を世界的にリードしています。特に筑波大学計算科学研究センターは、多くの世界的な研究成果をあげています。

今回、日本大学、筑波大学をはじめとする研究チームは、この格子ゲージ理論をバリオン2個、すなわちクォーク6個の系に適用し、8種類のバリオンの組み合わせやスピンによる相互作用の違いを調べ、同時にH–ダイバリオンの存在を探りました。数値シミュレーションの第一段階に必要な数値データについてはPACS-CS Collaboration^＊8の協力を得ると同時に、高性能スーパーコンピュータT2K-Tsukuba^＊9を用いることで、膨大な計算を実行しました。

3．研究方法2：従来にない独自の手法

従来は、格子ゲージ理論を用いたとしても、H–ダイバリオンの存在を判定することは困難でした。それは次の理由によります。
(a) クォーク6 個の伝播を計算すると、数値データがノイズで占められてしまう。
(b) クォーク6 個を格子空間に収めるために、極めて大きな空間体積が必要となる。
(c) 空間体積を大きくするとエネルギー固有状態^＊10の分離が難しくなる。

この中で、(a)と(b)は計算時間の問題ですが、(c)は原理的な困難です。なぜなら、従来の方法では、さまざまな物理量はエネルギー固有状態を通して導かれていたからです。それに対し、我々は数値シミュレーションからバリオン同士にはたらく相互作用ポテンシャルを導き、そのポテンシャルを用いて物理量を計算するという独自の手法を用いました。この手法では空間体積を必要最小限に抑えることができ、かつ、エネルギー固有状態を分離する必要がないため、(b)と同時に原理的な困難(c)を解決することができました。

これに加えて、フレーバーSU(3)極限とよばれる理想的世界を調べたことも、H–ダイバリオンの存在を判定するのに役立ちました。SU(3)極限は、3種類のクォーク（アップ、ダウン、ストレンジ）の質量を共通に設定することで実現できます。現実世界からそれほどかけ離れてはいないこの極限では、H–ダイバリオンが現れるチャンネル^＊11（フレーバー1重項チャンネル）があらかじめわかっているので、計算時間が大幅に少なくて済むのです。

4．主な結果

図2は、格子ゲージ理論の大規模数値シミュレーションで得られた結果の一例です。赤い点は、フレーバー1重項チャンネルのポテンシャルをさまざまな距離に対してプロットしています。ポテンシャルは距離によらず右上がりになっていることがわかります。右上がりは引き合う力を意味するので、このポテンシャルは、「どんなに近づいても引き合う力がはたらく」ことを表しています。

距離によらず右上がりのポテンシャルは、バリオンの世界ではこのチャンネルだけに見られる特別な性質です。他のチャンネル、たとえば陽子と中性子では、ポテンシャルは図3のように至近距離では右下がりになります。これは近づき過ぎると斥け合う力がはたらくことを意味し、「斥力芯」とよばれています。フレーバー1重項チャンネルには斥力芯が存在せず、逆に「引力芯」が存在しているのです。この近づいても引き合う性質から、2つのバリオンが１つに融合している可能性が予想されます。

計算結果をさらに詳細に調べることで、フレーバー1重項チャンネルでは、クォーク6つがコンパクトにまとまった粒子「H-ダイバリオン」が存在していることが明らかになりました。図2の緑の線は、数値シミュレーションで得られたポテンシャルから求めた波動関数^＊12とよばれる量です。波動関数はバリオンの存在確率に関係する指標なので、この結果は2つのバリオンが非常に狭い領域に集まって存在していることを示しています。

図2　フレーバー1重項のポテンシャル（赤い点）とH–ダイバリオンの波動関数（緑の線）。格子ゲージ理論とスーパーコンピュータを用いて、世界で初めて明らかになった。

図3　図2と同じ手法で得られた陽子と中性子の間のポテンシャル。これは実験的に確認されている核力のさまざまな性質と、定性的に良く一致している。

5．意義

今回明らかになった、フレーバー1重項チャンネルにおける斥力芯の消失とH–ダイバリオンの存在は、クォークの持つスピン、フレーバー、カラーの自由度とフェルミ統計性を合わせると定性的に理解できます。今回の成果は、物質世界におけるクォークの重要性を端的に表しています。つまり、クォークはハドロンの中に閉じ込められていて単独では存在できないにもかかわらず、物質世界のあり方に大きな影響を及ぼしていることが、今回の研究成果で明らかにされたわけです。

また、ストレンジクォークを複数含む系では、斥力芯の消失やH-ダイバリオンの出現など、通常では見られない現象が起きることがわかりました。これらの事実は、より多くのストレンジクォークを含む中性子星^＊13の中心部などを理解する上で重要な鍵となります。

今回は計算量を抑えるためSU(3)極限という理想的世界を調べましたが、その結果から、現実世界でも比較的長い寿命を持ったH–ダイバリオンが存在する可能性が強く推察されます。これは、茨城県東海村で稼働を始めた大強度陽子加速器施設J-PARC^＊14を用いた、今後のH–ダイバリオン探査実験やストレンジネス^＊15核物理の理論的支柱を与えることにもなります。今後、我々は京速コンピュータ「京」^＊16を用いてこの研究を継続し、現実世界におけるH–ダイバリオンの質量や寿命について詳細な計算を行う予定です。

6．論文

米国物理学会『フィジカル・レビュー・レター』誌4月22日号：
Takashi Inoue, Noriyoshi Ishii, Sinya Aoki, Takumi Doi, Tetsuo Hatsuda, Yoichi Ikeda, Keiko Murano, Hidekatsu Nemura, Kenji Sasaki, “Bound H-dibaryon in Flavor SU(3) Limit of Lattice QCD” Physical Review Letters (2011)

参考文献

基礎物理学研究所と日本物理学会『プログレス・オブ・セオレティカル・フィジクス』誌：
Takashi Inoue, Noriyoshi Ishii, Sinya Aoki, Takumi Doi, Tetsuo Hatsuda, Yoichi Ikeda, Keiko Murano, Hidekatsu Nemura, Kenji Sasaki “Baryon-Baryon Interactions in the Flavor SU(3) Limit from Full QCD Simulations on the Lattice” , Progress of Theoretical Physics, Vol. 124, No. 4, October 2010, pp.591-603

7．用語解説

＊1　バリオン：3つのクォークから構成される粒子。陽子、中性子のほか、ラムダ粒子、デルタ粒子などがあります。

＊2　クォーク：物質を構成する基本要素。軌道とスピンに加え6種類のフレーバー（アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップ）と3種類のカラー（赤、青、緑）を持ちます。陽子はアップクォーク2つとダウンクォーク1つ、中性子はアップクォーク1つとダウンクォーク2つ、ラムダ粒子はアップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォーク1つずつからなります。

＊3　量子色力学（Quantum Chromodynamics）：クォークおよび、クォーク間の相互作用を媒介するグルーオンを支配する基本理論。ゲージ理論の一種。南部陽一郎博士（2008 年ノーベル物理学賞受賞）がその原型を提唱しました。グロス博士、ウィルチェック博士、ポリツァー博士らが量子色力学の重要な性質である漸近自由性（高エネルギーになるほど相互作用が弱くなる現象）を理論的に発見し、2004年ノーベル物理学賞を受賞しました。

＊4　グルーオン：クォーク間の強い相互作用を媒介します。グルーオン同士にも相互作用がはたらきます。

＊5　フェルミ統計性：量子力学における粒子の統計的性質。フェルミ・ディラック統計とボーズ・アインシュタイン統計があり、クォークは前者に従います。フェルミ・ディラック統計には「2つの粒子は同一の状態を占められない」などの特徴があります。

＊6　ハドロン：強い相互作用をする粒子の総称。バリオンやメソン（クォーク1つと反クォーク1つからなる粒子）がこれに含まれます。

＊7　格子ゲージ理論：量子色力学などのゲージ理論を、時空に超立方格子を導入して定式化する理論。モンテカルロ法などを使ったゲージ理論の大規模数値シミュレーションに適しています。

＊8　PACS-CS collaboration：筑波大学のスーパーコンピュータPACS-CSを利用して格子ゲージ理論の研究をするグループ。

＊9　T2K-Tsukuba：筑波大学・東京大学・京都大学の3大学間で結ばれたT2Kオープンスーパーコンピュータ提携に基づき、2008年6月、筑波大学に導入された大規模PCクラスタ。2011年現在、国内トップクラスの性能を持ちます。

＊10　エネルギー固有状態：量子力学においてエネルギーが定まった状態。

＊11　チャンネル：散乱する2粒子の状態を、粒子の種類、合計スピン、相対軌道角運動量などで分類したときの呼称。

＊12　波動関数：量子力学において粒子の波動的状態を表すのに用いられる関数。その絶対値二乗が粒子の存在確率を表します。

＊13　中性子星：半径が約10 km、重さは太陽質量の1～2倍の高密度天体で、中心部は主として中性子やハイペロンの液体になっています。大質量星が超新星爆発を起こした後に残ると考えられています。

＊14　J-PARC：高エネルギー加速器研究機構と日本原子力開発研究機構が共同で茨城県那珂郡東海村に建設した、大強度陽子加速器を中心とする施設。2009 年から稼働を開始し、理工学のさまざまな研究に使用されています。

＊15　ストレンジネス：ストレンジクォークが持つフレーバー量子数。ストレンジクォークを含むバリオンをハイペロンとよび、ハイペロンを含む原子核はハイパー核とよばれます。

＊16　京速コンピュータ「京」：理化学研究所を中心に開発が進められている次世代スーパーコンピュータシステム。

問合せ先

担当者：
日本大学生物資源科学部助教　井上貴史（Takashi Inoue）
筑波大学計算科学研究センター教授　青木慎也（Sinya Aoki）
筑波大学計算科学研究センター准教授　石井理修（Noriyoshi Ishii）

報道担当：
日本大学生物資源科学部庶務課
電話 0466-84-3800　FAX 0466-84-3805
筑波大学計算科学研究センター広報室
電話 029-853-6487　FAX 029-853-6406　E-MAIL：yoshito [at] ccs.tsukuba.ac.jp

　プレスリリース
 

2011年2月11日
国立大学法人筑波大学

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概要

筑波大学計算科学研究センターの稲垣祐司准教授、橋本哲男教授の研究グループは、Giardia intestinalisと呼ばれる寄生性真核生物が、分断された遺伝子コピーをタンパク質合成直前に結合させる「分割イントロン」領域を持つことを発見しました。この研究は金沢大学、ダルハウジー大学（カナダ）の協力を得て行われ、2011年2月10日発行の米論文誌『Current Biology』オンライン版で発表されました。

すべての生物は、ゲノムと呼ばれる生命活動を行うための設計図を持っています。ここには、生命活動に必要な道具であるタンパク質やRNAを作り出すための遺伝子と呼ばれる領域があります。イントロンは、我々ヒトを含む真核生物が遺伝子内に持っており、タンパク質合成において使用されない領域です。

今回、Giardia intestinalisがある種の遺伝子をイントロンごと断片化し、イントロン部分を“のりしろ”として断片化された遺伝子を完全なものに組み立てることがわかりました。このタイプのイントロンはヒトでは見つかっておらず、副作用の無い薬剤開発に役立つ可能性があります。

1．背景

我々ヒトを含めた真核生物のゲノムは核膜に覆われており、生物の「基本設計図」として多数の遺伝子と、遺伝子の調節領域を含みます。生物種ごとにゲノムの大きさや構造は多様ですが、真核生物ゲノムに共通する特徴の一つは、その遺伝子中にスプライセオソーマルイントロン（以下イントロンと記述する）が存在することです。

たとえば、ヒトでは全遺伝子の85％、陸上植物シロイズナズナでは79％がイントロンを含んでいることがわかっています。遺伝子からタンパク質が合成される過程で、遺伝子のDNA配列はまず伝達RNA（mRNA）と呼ばれる中間物質にコピーされます。この際、mRNA中のイントロンはスプライセオソームと呼ばれるRNA-タンパク質複合体により取り除かれ（スプライシング）、残りの領域（エキソン）が互いに結合することにより成熟したmRNAとなります（通常型、図1左）。mRNAはイントロンの除去などが行われた後、タンパク質合成に使用されます。一般に、真核生物の遺伝子には多数のイントロンが存在するので、遺伝子→mRNA→タンパク質という遺伝情報のスムーズな伝達のために、イントロンを効率的に除去しています。

最近、多数の真核生物種のゲノムが解析されています。この過程では遺伝子の種類や数をまず理解する必要がありますが、そのためには遺伝子中のイントロンを正確に同定しなければなりません。

図1　通常型イントロン（左）と分割イントロン（右）のスプライシング

2．研究手法

単細胞真核生物Giardia intestinalis（図2）は、ヒトなどの腸管内に寄生し、血便を伴わない激しい下痢症状を引き起こします。また、この生物が最も祖先的真核生物の一つであるとの説もあり、公衆衛生上だけでなく基礎生物学において極めて重要な生物です。

我々は、Giardiaのゲノムデータと網羅的発現RNAデータを比較することで、ゲノム中の極めて遠く離れた領域に分割してコードされているタンパク質遺伝子を同定しました。その断片化した遺伝子から発現したRNAに、標識したDNA断片（DNAプローブ）を結合させ、その大きさを調べました。また、RNAを一本鎖DNAに変換した後PCR増幅すること（逆転写PCR）で、目的遺伝子のRNA塩基配列や高次構造を推定しました。これらの実験は、金沢大およびダルハウジー大から提供された材料および情報をもとに、筑波大において行われました。

図2　Giardia intestinalis光学顕微鏡写真

3．研究成果

これまでGiardiaゲノム中にイントロンを探索した研究では、わずか4つのイントロンしか見つかっていません。このイントロン数は他の真核生物のイントロン数と比べ驚異的に少なく、イントロンと真核生物ゲノムの進化を考える上で非常に重要な生物といえます。

Giardiaゲノムでは、タンパク質の立体構造調整に関わる遺伝子（HSP90）および細胞運動に関わる遺伝子（OAD）が2つもしくは3つの断片に分断され、互いに離れた領域にコードされています。標識DNAプローブを用いて目的mRNAを調べた結果、この分割化された遺伝子断片は、まず未成熟mRNAとして別々にコピーされ、その後未成熟mRNAが正確な並び順で結合し、最終的に一つの成熟したmRNAとなることがわかりました（図1右）。

ではどのように2つの未成熟mRNAが成熟mRNAに結合されるのでしょうか。逆転写PCRにより、未成熟mRNA配列から除去される領域の塩基配列を決定したところ、これまで同定されたGiardiaの通常型イントロンと同じ配列モチーフがあることがわかりました。また、この領域の塩基配列には、結合すべき未成熟mRNA同士の特異的結合を補助する役割を持つと考えられる部位も存在しました。

また、未成熟mRNAから切り出された分割イントロンの構造を調べた結果、スプライセオソームにより削除されたイントロン断片に特異的な高次構造を取ることがわかりました。この実験データとイントロンの塩基配列情報から、確かにこの分割イントロンはスプライセオソームによって切り出されると考えられます。

4．今後への期待

Giardiaゲノムには通常型と分割のイントロンがほぼ同数存在することから、Giardiaのスプライセオソームは通常型と分割を両方認識するための特殊な構造である可能性があります。分割イントロンの削除に直接関与するスプライセオソームの構成因子を標的にすることで、ヒトや家畜に感染したGiardiaを体内から選択的に駆除できる薬剤開発も可能となるでしょう。

今回Giardiaで発見された分割イントロンに似た構造を持つイントロンは、線虫Caenorhabditis elegansでたった一例の報告があります。線虫と進化的に遠縁であるGiardiaが共通して構造的に似た分割イントロンを持つという事実により、他の真核生物ゲノム中でも分割イントロンが存在することを否定できなくなりました。Giardiaにおける分割イントロンの発見を契機に、これまで想像していなかった真核生物ゲノムの複雑性が明らかになるかもしれません。

問合せ先

担当者：

筑波大学計算科学研究センター准教授　稲垣祐司（Yuji Inagaki）

筑波大学大学院生命環境科学研究科教授　橋本哲男（Tetsuo Hashimoto）

報道担当：

筑波大学広報室
TEL：029-853-2040　　　FAX：029-853-2014
E-MAIL：kohositu [at] un.tsukuba.ac.jp （@を[at]と表示しています）

筑波大学計算科学研究センター広報室
TEL：029-853-6487　　　FAX：029-853-6406
E-MAIL：yoshito [at] ccs.tsukuba.ac.jp