私たちの体にも植物にも炭素はたくさん含まれています。この炭素という元素、そもそもどのようにしてつくられたのでしょうか。その解明のために、スーパーコンピュータ「富岳」で原子核の構造を計算したのが阿部喬協力研究員（以下、研究員）らです。研究開始から10年余り、これまでの理論物理の常識を覆す発見がありました。
誰も答えにたどりつけなかった難題
138億年前にビッグバンが起きたとき、宇宙に存在した元素は、ほぼ、水素とヘリウムだけ。核子（陽子と中性子）でできた原子核が衝突を繰り返し、核子数の多い元素がつくられてきた。英国の天文学者フレッド・ホイルは核子が12個の炭素について「核子が4個のヘリウムが3個合体する過程で生じる不安定状態があるはず」と1954年に予言した。後に、「ホイル状態」と呼ばれるようになったが、その構造は謎だった。
図1 炭素の原子核の成り立ち
陽子2個と中性子2個のヘリウムの原子核3個が合体して、陽子6個と中性子6個の炭素の原子核ができる。不安定なホイル状態の存在は実験で確認され、1957年に論文発表された。その後も実験での確認は続いたが、約10-16秒で崩壊してしまう不安定なホイル状態の姿を実験で捉えるのはとても難しい。しかも、実験で分かるのは、動き回る状態を長い露光時間で撮影したぶれた写真のような姿。一瞬一瞬にどのような構造をとるかは計算で求めるしかない。
まだ日本でスパコンを使った本格的な「第一原理計算」が行われていなかった2007年、東京大学で阿部研究員は「炭素のホイル状態の第一原理計算がしたい」と宣言した。「難しくて誰も答えに到達していない、時間がかかりそうなテーマだからこそやってみたいと思った」と振り返る。
第一原理計算は、核子一つ一つに働く力を積み上げ、原子核全体の状態を解明する手法だ。答えを正確に導き出せるが、核子が増えると計算量が爆発的に増える。そのため、長年「陽子と中性子が２個ずつ集まったαクラスター状態があるはず」と想定した上で、途中を簡略化した計算が行われてきた。ともに研究をしてきた大塚孝治客員主管研究員は当時「仮定そのものの検証から始める必要がある。無限個の中性子の第一原理計算をして大きな成果を出していた阿部さんは、この研究に最適、最強の人材」と判断した。
ちょうど、100台近いサーバーを繋いだアルフリートという並列計算機を、この種の計算のためにほぼ独占できる環境が理研にはあった。
常識を覆す発見
研究開始から10年余り、阿部研究員らはスパコン「京」や「富岳」などを用いて炭素ホイル状態を第一原理計算で明らかにした（図2）。これまでは、ホイル状態では陽子2個、中性子2個のαクラスターが三つ集まった「クラスター」しかなく、通常の原子核内部の状態である「通常原子核物質」は含まれないと考えられてきた。しかし、計算の結果、クラスターは61%しかないと分かった。「ホイル状態にも通常原子核物質が33%も含まれていました。理論研究にも実験研究にも大きな影響を与える成果です」
さらに、基底状態は、これまでの予想とは異なるいびつな三角形構造が主で、その上、クラスターが6％も含まれていた。「これも第一原理計算で厳密に計算したからこその成果です」と大塚客員主幹研究員。
図2 炭素ホイル状態と基底状態の構造
y[fm]、z[fm]は位置を表す。核子がどの位置に密集しているかを「核子密度」という指標で調べる。ホイル状態では三つのαクラスターのうち一つがやや離れているので、αクラスターを放出しやすい状態だと見て取れる。基底状態にもクラスター成分があることが示され、炭素よりも大きな原子核でα崩壊のメカニズム解明の足掛かりとなり得る成果だと注目されている。fmはフェムトメートル（1fmは1千兆分の1m）。
「富岳」は、基礎研究から産業界の技術開発にまで利用されていて、本研究で使うことができたのは「富岳」の計算機全体の1％程度だ。「もし必要なだけ『富岳』を使って計算できるなら、いったい核子がいくつまで1個の原子核として存在し得るのかを計算してみたい」と語り合っている。
炭素ホイル状態になる前後にどのような過程があるのか、炭素の起源のさらなる解明のため、次なる難題に挑んでいる。
（取材・構成：大石かおり／撮影：相澤正。／制作協力：サイテック・コミュニケーションズ）
関連リンク
- 2022年4月27日プレスリリース「スーパーコンピュータ『富岳』で炭素の起源を探る 」
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