物質は何で出来ているのだろうかという古代からの素朴な疑問に対して、現時点までに人類は、「物質はクォークとレプトンで出来ており、それらの間の相互作用はゲージ粒子と呼ばれる粒子によって媒介されている」という物質像までたどり着いた。これは「素粒子の標準理論」と呼ばれているが、物質界や宇宙の現象を理解するための最も基礎的な理論体系の一つである。

しかし、標準理論が物質の究極の姿を全て説明してくれるわけではなく、もっと深いレベルでの構造の反映であろうと考えられている。例えば、標準理論においては質量を持たない粒子として取り扱われてきたニュートリノは質量を持っているであろうと考えられるようになってきている。また、質量の起源であると考えられているヒッグス機構や素粒子の世代についても、多くの不明な点が残されている。

この様な、物質構造の研究は理論的研究と実験的検証とによって進められている。理論的な研究としては、標準理論が成立する起因をより深く理解するための統一理論などの試みとともに、複雑な素粒子反応をどこまで標準理論によって説明可能かを探る試みが挙げられる。

現在は、大学院生とともに「次世代の超高エネルギー加速器における素粒子反応で何が起こりそうか？」について理論的研究を行っている。素粒子の標準理論の枠組みは、学部4年次生でも（ちゃんと勉強すれば）理解できる体系であり、この分野は卒業研究で取り組むことも可能である。

素粒子論とは物質を構成している基本粒子とその相互作用及び時空の構造を研究する学問分野です。広い意味では、素粒子論は今までに知られた個々の自然法則や原理を、現在未解決な問題を手がかりにして、より簡潔な形で理解することを目指していると言ってよいでしょう。ベータ崩壊に代表されるような弱い相互作用、ハドロンを構成しているクォークやグルオンの強い相互作用、一般相対性理論によって記述される重力理論、そして電磁気力、と言った四つの力とその力を感じる物質を量子論と矛盾なく統一的に記述する理論として、現在最も有望な理論が「超弦理論」です。この理論の素朴な見方は、まず振動している紐を考えて、その各振動モードを「素粒子」とみなし、次にそれが分裂したり結合したりする過程を考えることです。この見方からゲージ場や重力場の導出などの重要な性質が導けます。しかし、真空の構造や紐の多体問題等を調べるにはそのような素朴な摂動論的な描像だけでは不十分であり、非摂動論的な見方が必要になってきます。上で、「超弦理論」として「」を付けたのは、非摂動論的な見方及び定式化においては素朴に紐を基本要素とする見方を離れる必要があるかも知れないからです。

近年、双対性、D-ブレイン、行列模型、時空の非可換性、AdS/CFTなどをキーワードとして少しずつ「超弦理論」に進展が見られ、私も非摂動論的な 「超弦理論」の定式化に大いに興味をもって研究しています。特に最近行った研究は、非臨界弦におけるＤ-インスタントンの研究、衝撃波を通過するときの弦の励起状態の研究、時空特異点の解消およびその安定性についての研究などです。またそれ以前には、「超弦理論」に密接に関係していると考えられる、超流体中の量子渦や宇宙紐のダイナミクス、膜（membrane）の理論、ブラックホール近傍の弦の場の理論、位相項を持つゲージ理論、超弦理論の有限性、超対称共形場理論などなどを研究してきました。これからは柔軟な発想を大切にして、さらなる革新を目指そうと思っています。

私の研究の目標は、究極的には二つしかありません。

1. 宇宙はなぜ現在のような構造を持っているか

2. 物質は究極的には何から構成されているのか

これら二つの問題は、現時点ではまったく違うレベルの問題に見えるかもしれません。 前者は宇宙全体の問題であり、後者は極小の世界の問題だからです。実際、前者は相対 性理論の問題、後者は量子力学の問題に見えます。

ところが、例えば前者の問題に取り組む場合、「宇宙はどのように始まったのか」、あ るいは「宇宙の始まりはどのような様子だったのか」を解明することが必要不可欠です。 宇宙が膨張していることは観測事実ですから、宇宙は始まって間もないころ、非常に小 さかったと思われます。宇宙初期を解明するためには、宇宙全体を扱う相対性理論と、 極小の世界を扱う量子力学両方を考慮しなければいけないことが分かります。

ところが、残念なことに、相対性理論と量子力学を一緒に考えようとすると、くりこ み不可能性という、理論としての矛盾があることが分かっています。理論的矛盾を来た すということは、この両方の理論がまだ完全でなく、その背後にさらにこの二つの理論 を統合する究極の理論があることを意味しています。そこで、相対性理論と量子力学を 統合する理論の最有力候補として考えられているのが弦理論と呼ばれる理論です。弦理 論は、宇宙のあらゆる物質、力の根源、それらがすべて極微の弦の振動によって生ずる とする理論です。このようにして、1 番目の問題を考えることは、自動的に2 番目の問 題も考えることになります。このような宇宙開闢を通して極大の世界と極小の世界が繋 がることは、とても示唆的であるし、物理学の進歩が最終段階に来ていることを意味し ていると考えています。

弦理論は確かに、その振動を詳しく調べてみると現在私達の周りにある様々な素粒子 を含んでいることが分かります。また、エネルギーが低いときは相対性理論を含んでい ることも分かっています。弦理論は量子力学に基づいて構成されていますので、弦理論 こそ、相対性理論を含み、量子力学的に記述された、両者を統合する理論に見えます。

しかしながら、弦理論には致命的な欠陥があることが分かっていて、それがこの20 年 以上も未解決のまま残されています。実は弦理論が定義できる空間は無限個あります。 また、その中には私達が住んでいるような4 次元の時空だけではなく、10 次元の時空や 0 次元の時空(点) のような、私達の宇宙とは似ても似つかないようなものさえあります。 これでは1 番目の問題に答えることができません。たくさんある時空の中で、なぜ私達 の宇宙が実現されたのかを説明できていないからです。

私達の時空がなぜ4 次元に選ばれたのか、という問いは謎のまま残されていると述べ ましたが、まったく手がかりがないわけではありません。弦理論を詳しく調べてみると、 弦理論は弦だけで構成されていると考えるべきではないことが分かってきました。弦と、 弦が張り付いている壁のような物体(ブレーン) 両方を考えた方が自然であるというこ とが分かってきたのです。ブレーンを記述するには行列を使うとよいことが知られてい ます。そうすると、弦ではなく、行列をむしろ基本的な存在として弦理論を記述し直し てみたらどうかと考えたくなります。私の研究内容は、大雑把に言うと、このように行 列こそが基本的な存在と仮定して、弦理論そのものを再構築しようとする試みです。こ のような立場から、なぜ我々の時空が4 次元であるか等、宇宙の始まりと成り立ちを基 本原理から解明する研究を行っています。