【連載】TECH-MAG 研究室レポート

有機合成化学と素粒子科学を組み合わせてできた機能性分子「ビラジカル」とはどんなものなのですか？

有機合成化学と素粒子？ と聞いてピンとこなくても大丈夫。なおかつ、え？ と疑問に思ったなら才能アリかもしれません。各々の専門家でも理解の難しい、まったく新しい取り合わせの研究領域だからです。
世界でもこの分野は数人の先生方しかいなくて、教科書がなく、論文を書くのにとても苦労しましたから、研究者へでも高校生へでも、伝えること自体が難しい。そのうえでなるべくわかりやすく解説します。

機能性分子、私たちがビラジカルと呼んでいるものは、通常は電子的に不安定ですが、ヘテロ元素（例：リン）と炭素を含む分子ユニットにすると､絶妙なバランスで安定の電子状態にできて、しかも有用な機能をもつことも分かりました。これを作った時の論文発表は2003年で、最近生まれたものではありませんが、その機能があまりわかっていませんでした。

作っただけではわからない物性が多かったと。

何か機能をもつ分子を作る場合、このような構造にすればこういう反応を示すだろうという相互作用を頭の中で考えながら設計して合成する計画を立てます。合成法は端折りますが、ビラジカルの場合はベンゼンという原料から6段階程度で合成します。
今回のビラジカルは、構造式にある2つの点々がミソで、本当はここに何かくっついているべきなのに､測定しても、見えないのか存在しないのか、何も無い。これを探るのが面白いところです。

どのように分析していったのでしょうか？

茨城県東海村のＪ-PARCとカナダのバンクーバーのTRIUMF（トライアンフ）という2つの加速器施設に持ち込んで測定しました。

炭素やベリリウムといったターゲットに、高エネルギー加速器で発生させた陽子ビームをドンと衝突させます。すると、ノーベル賞の湯川秀樹博士が予言したことでも知られるパイ中間子ができ、それが壊れてニュートリノとともにミュオンが放出されます。ミュオンは運動エネルギーを失っていきながら物質内の電子を捕まえて、ミュオニウム（Mu）という状態になり、やがて物質の中で安定な場所に落ち着きます。
ミュオニウムに反応する分子が構造内にあれば、ラジカルが産生され、反応過程でおこる回転や共鳴といった特有の現象を観測することで、これまで得られなかった分子の構造を明らかにしていきます。

先ほどの構造式で示した、何かくっついているべき2つの点々の答えは、ミュオニウム。軽いH+（水素イオン）に相当するミュオンと電子がくっついている状態で、言ってしまえば「軽い水素原子」です。素粒子のビームを当てた結果、化合物に素粒子がくっついたことが分かり、謎だった無の部分にはちゃんと存在があったと証明され、構造式も成り立ちました。 考えて、作って、分析してと、こういうことを研究の一連の流れとしてやっています。

ちなみに、ミュオンは宇宙からもやってきて、１秒に１個ほど私たちの掌を通過していると言われています。
ただ、研究には加速器を使って人工的に発生させたミュオンを使っています。高校で物理を学んだ人ならシンクロトロンやサイクロトロンといった言葉を知っているかもしれませんが、J-PARCはシンクロトロン施設で、TRIUMFはサイクロトロン施設。 今回の測定には直流状ビームを提供するTRIUMFが適していて、そこに試料を持ち込んだところ、良い結果が得られたんです。

[ TRIUMF内メソンホール（Meson Hall）の様子。黄色い壁（放射線を防ぐシールド）の奥に直径10mのサイクロトロンがある ]

それまでと違う研究領域に踏み込むのは大変ではなかったですか？

素粒子のド素人の私にはなかなか厳しかったですね。最初はＪ-PARCに課題申請し、2014年に初めて測定を行いました。24時間一睡もしないでその後授業もやってと（笑）。データは得られましたが、分子の形はハッキリ分からない。

それで当時、高エネルギー加速器研究機構に所属していた小嶋健児先生とディスカッションを行っていたとき、「バンクーバーで測定をやったらいい」と提案されて、2015年に初めてTRIUMFでも測定を行いました。このTRIUMFへの課題申請が特に大変で、書類以外に電話インタビューもありました。厳しい質問もあったのですが、サイエンスや研究の発展にこれは絶対に必要な過程でと説明して、なんとかビームタイム（測定期間）をいただけました。

TRIUMFは私たちの扱う有機化合物の測定にはとても良いのですが、今回のビラジカルはミュオンがくっつきにくい構造のためか、肝心のシグナルがなかなか見えない。本当に苦しかったのですが、情熱をもって関わってくれるTRIUMFのスタッフの方から励まされて、実験を進めました。

そしてビームタイムのいよいよ最後の最後、これで終わりかと思いかけたころ、データグラフの波形にシグナルが見えたのです。その瞬間、昔、小柴昌俊先生が「ニュートリノが降ってきたーっ！」と言っていた情景と変わらないほどと言ったら大袈裟ですが、スタッフの方とともに本当に喜び合いました。
それからデータを基に解析し、式化するのに1年、論文にまとめるのに1年。最初のTRIUMFでの測定から4年後にようやく論文発表できました。苦しい局面で助けてもらってエンカレッジされた、そんな背中を押してくれる人との出合いが本当に有り難かったです。今となってはこの苦しさも幸せな経験ですね。

楽しんでもらえるのが幸せ。幸せに貢献するのが使命

研究の今後の課題は？

このビラジカルのミュオン解析は一区切りつきましたが、ミステリアスな部分もまだあります。なんとなく理屈の値と実測のデータにズレがあり、それはなんだろう？ と自分の中でその点が素朴な疑問だったりします。
でもこうした疑問を見つけることが大事です。立ち止まり、何が起因しているかを想像していくと､今度はそれを踏まえてより面白い、新しい、優れたものを作るためのアイディアというものが出てくるんです。研究はその繰り返し。それが研究の面白いところで、苦しいけど楽しいのです。

TRIUMFの研究仲間も、最初の測定のあと「これから毎年測定し続けたらいい」と勧めてくれて、有機合成化学とミュオン科学を組み合わせたサイエンスのフロンティアに立った初の学者として、新しい研究領域を創る目標もできました。

理系を目指す若い方々にメッセージをお願いします

物理を好きな学生さんは、素粒子とか得体の知れないものに惹かれる人は多いと思います。若い人は好奇心にバリアがないですよね。
スティーブ･ジョブズは「創造とは組み合わせだ」と言いましたが、私もまさに組み合わせるからこそ混じって新しいものが出て、社会を変えたり新しいものに変わったり、 勝手に変化をしていったりするのだと思います。

私自身が素粒子への興味を呼び起こされて研究に取り組んだのは40代前半でしたが、素粒子を組み合わせて何を生み出せるのか考えるときが一番幸せです。楽しんで想像し、世界に4箇所ほどしかないミュオン加速器施設のすべてに行き、行くからこそ新しいものが作れて、それを基にこんなものが作れるよと世の中に提案するといったところに続いてきたと思います。

「何となく気になる」というのは大事な感覚で、面白くて惹かれたら、好奇心の赴くまま飛び込んで積極的に挑戦していく人になって欲しいし、若い人ならそれができます。
AIだって人間が作ったもの、科学は人間が創るものなので、やっぱり、好奇心、そして人と人の繋がりが、サイエンスを発展させる鍵だと思います。