計算科学による複合材料設計

第一原理計算プログラムを用いて界面を含む構造のエネルギー計算を行い、それらの結果を教師データとしたニューラルネットワークポテンシャル（NNP）を作成し、より大規模な古典分子動力学計算を行うという一連の手順を確立した。第一原理計算プログラムはPHASE/0(2021.01)を用い、汎用CPUノードを最大８ノードまで使って構造最適化が行えることを確認した。NNP作成にはDeePMD-Kitを、古典分子動力学計算にはLAMMPS（+DeePMD）を使った。LAMMPS（+DeePMD）の計算にGPUノードを利用することで計算が加速することを確認した。

素粒子物理学実験への機械学習の適用研究

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

Spatial and temporal heterogeneity of Kohlrausch–Williams–Watts stress relaxations in metallic glasses

We perform a molecular dynamics (MD) stress relaxation simulation for Zr50Cu40Al10 metallic glass to confirm that the time dependency of stress relaxation conforms with the Kohlrausch–Williams–Watts (KWW) equation, and to derive the temperature dependency of the Kohlrausch exponent βKWW. We also calculate local plastic deformation based on atomic strain, then discuss the morphology of relaxation and calculate the probability density of stress relaxation with respect to the characteristic time of relaxation from the number of deformed atoms. Afterward, we derive the time dependency of stress relaxation as a mode-averaged decay function, which expresses spatial and temporal heterogeneity. Both the results of simulation and calculation reproduce the KWW relaxation form and are in good agreement, confirming the spatially and temporally heterogeneous nature of KWW relaxation. The heterogeneity of the stress relaxation of metallic glass is determined by local stress changes caused by microscopic local plastic deformation.

アテンションネットワークによるT細胞受容体とペプチド結合の予測・その機能の解釈性に関する研究

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

ニューラルシンプレクティック形式

本研究は，深層学習を用いて物理現象をモデル化する手法を目的としている．特に，既存手法では，標準形のハミルトン方程式が利用されることが多いが，そのためには，データが正準座標で与えられる必要がある．しかし，正準座標は，通常，未知であるハミルトニアンに依存して決まるため，学習のためのデータが用意できない．本研究では，データからシンプレクティック形式を学習し，ハミルトン方程式の座標系に依存しない表現を利用することで解決した．

乱流輸送現象の解明に向けた数値シミュレーション

本研究では，固体と相互作用したり，自由界面を持つような複雑な乱流が，どのように維持され，また，どのような乱流輸送能力を持つのかを解明するために，数値シミュレーションを実行した．

次世代移動通信用広帯域プリントアンテナの研究

次世代移動通信において用いられるマイクロ波帯広帯域プリントアンテナの実伝搬環境における放射・伝搬特性をシミュレーションにより評価した。その結果、評価の基準となるスリーブダイポールアンテナの設置位置の違いによる放射・伝搬特性を明確にした。

天然ガス予混合燃焼を伴う壁乱流の直接数値シミュレーションの実現

天然ガス予混合燃焼の火炎伝播を伴う壁乱流における乱流と火炎構造の変調を詳細に観察するために，直接数値シミュレーションを実現した．その結果，乱流の影響により火炎のシワのスケールが増加し，火炎温度が低下することによって燃焼反応が抑制されて，火炎の伝播速度が減少した．また，流れ場の変化に注目すると，火炎の影響によって，壁面に沿う乱流渦のような組織的構造が抑制されて，その結果として，流れが層流化していた．渦度輸送方程式のバランスを見ると，乱流の組織的構造の抑制は，火炎の熱による粘度の上昇によることがわかった．さらに，渦の回転効果による熱の輸送の結果として，乱流渦よりも早く，速度ストリークが選択的に抑制されていた．このように，乱流燃焼の予測と制御を実現するための基礎的な知見が得られた．

マイクロ熱工学に関する分子シミュレーション

ナノ・マイクロメートルスケールのエネルギー輸送現象を原理的に理解して制御することを目的として，伝熱面の濡れ性や微細構造が固液界面熱抵抗に与える影響を分子動力学法を用いて調査した．また担体と接する触媒ナノ粒子の反応に伴う温度上昇を分子動力学解析を用いて詳細に調べた．そのためにOCTOPUSを用いた．

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

Characterization of hot electron in shock ignition scheme

レーザー核融合の衝撃波点火方式における, 高強度レーザーの照射時に発生する高エネルギーの電子（高速電子）の特性評価を行うために, 粒子輸送モンテカルロシミュレーションコード PHITS (the Particle and Heavy Ion Transport code System)を用いて電子のシミュレーションを行った. 実験における制動放射X線の計測結果と, 各電子温度の電子のシミュレーションの結果を比較・最適化した結果, 実験条件での高速電子の特性評価を行うことができた. 今後は他の解析の結果も含めて衝撃波点火方式での点火ターゲットの設計に活用していくことが必要である.

Gamma-Ray Dosimetry Development Using Radio-Photoluminescence Glass Dosimeter (RPLGD) in Neutron/Gamma-Ray Mixed Field for BNCT　- Evaluation of the response of RPLGD in low energy region -

エックス線発生装置の使用によって、低エネルギー光子に対する蛍光ガラス線量計の応答を取得することを目的に研究を行った。PHITS（Particle and Heavy Ion Transport code System）を用いて、蛍光ガラス線量計に入射するエックス線のスぺクトルを計算する際、多大な時間がかかることが予想されたため、「SQUID」を使用した（使用ノード時間 : 6009時間、使用容量 : 15.7 GB）。結果として、計算時間が、研究室で使用しているPC（i5-4440 CPU @ 3.10GHz, 実装RAM：8.00 GB）で並列計算を行った時の約1538分の1に短縮された。また計算時間の短縮のおかげで、最終的に線量計の応答を取得することができた。

有機銅アート試薬とチオエステルの反応によるケトン合成における反応経路探索

有機銅アート試薬とチオエステルの反応によるケトン合成について、チオエステルまたはエステルを基質として用いた場合に想定されるCu錯体のギブズエネルギーを計算することで、反応中間体および遷移状態構造を明らかにし、活性化エネルギー障壁をもとに官能基選択性についての知見を得た。

ガラス系の遅いダイナミクスの分子動力学シミュレーション研究

高分子集合体は形状や大きさによってその物性を大きく変えることが知られており、形状による物性のコントロールができるようになると期待されている。直鎖状高分子集合のダイナミクスについてはレプテーションモデルでの理解が可能であるとされている一方で、直鎖と違い末端を持たない環状の高分子がどのように運動をして構造緩和するのかは明白ではない。末端がない環状高分子は周囲の環境によって鎖ごとに様々な形状をとることが期待される。したがって鎖同士の協調的な運動が本質的になりえることに着目する。このことはガラスの遅いダイナミクスにおける動的不均一性の類推を用いた解析が有用であることを示唆しておりこれに取り組んだ。鎖長を系統的に変化させ、直鎖状および環状高分子溶融体における平均2乗変位とその非ガウス性を定量化するノンガウシアンパラメータ(NGP)を解析した。直鎖状高分子は絡み合いから抜け出して自由拡散へと至る時間領域においてNGPに強いピークが現れるのに対し、環状高分子においてはNGPが極めて抑制されていることがわかった。しかしながら、環状高分子の拡散係数は鎖長を長くしていくと直鎖状高分子と同程度の鎖長依存性を示すことから、高分子間の相互作用は強くなっていくと考えられている。このことは、環状高分子溶融体の拡散機構が、多くのガラス形成物質で支配的なパッキング効果や直鎖状高分子の絡み合い描像とは本質的に異なることを意味することがわかった。

Does the Hoyle state of 12C appear even if a nucleon-nucleon potential has strong short-range repulsion?

現実的核力として Argonne v_18 ポテンシャルを中心力のみで表現した Argonne v_4^’（AV4P）ポテンシャルを用い、12C原子核の低励起 0^+ 状態に関する理論計算を行った。AV4P が持つ強い斥力芯による相関は Unitary Correlation Operator Method により処理し、変分波動関数として Bloch-Brink 波動関数を用いた。スーパーコンピュータを用い、Generator Coordinate method により低励起状態の同定を行った結果、観測されている４つの低励起 0^+ 状態を同定することができた。これらの状態と α 凝縮状態を記述する Tohsaki-Horiuchi-Schuck-Röpke 波動関数との比較から 0_2^+ がα 凝縮状態であること、0_3^+ が 0_2^+ のBreathing mode であることが確認できた。

開殻π電子系分子集合体の物性評価

Gaussian16 を利用して、各種開殻π電子系分子とその集合体について軌道計算、電荷分布、スピン密度分布等の計算を行った。例えば、ラジカルカチオンの固体状態における近赤外吸収が特殊なダイマー構造や連続構造的なラジカル集積体に由来すること、また、スピン間には反強磁性的相互作用が働いていることがわかった。また、複数の開殻π電子系が配位した金属錯体の磁気特性を実験と計算結果より解明した。

乱流と多相流のCFDおよび機械学習

乱流，気泡や粒子などを含む二相流，伝熱，潤滑，流体－構造連成解析，界面現象などを対象として，解析手法の高度化・高精度化，現象の解明，深層強化学習とCFDの融合，データ駆動型モデルの開発を目指している．

雷撃を受けたCFRPの導電率温度依存性を考慮した電磁界と熱のFDTD解析

導電性テンソルを用いたFDTD (Finite-Difference Time-Domain) 法により，導電率異方性と温度依存性を持つCFRPの電磁界と熱の解析を行い，温度依存性を考慮しない場合の解析と比較検討を行った。CFRPパネルは0.2 mm厚の層で構成されており，各層は繊維方向に起因する異方的な導電性を有している。また，CFRPの導電率は300℃から600℃の間で上昇することが報告されている。そこで，導電率が変化していると思われる300℃から600℃の間において，導電率の値は線形的に変化するものと仮定した。シミュレーションの結果，CFRPの導電率の温度依存性を考慮することで，温度に依存しない一定導電率を仮定した場合に比べて，より深い層まで電流が流入し，発熱領域も厚み方向に広がることが示された。

DNSデータを用いた乱流予混合火炎の数値計測の創成とその手法に関する研究

内燃機関の更なる高効率燃焼のためには内燃機関内の乱流火炎を高精度に計測してその構造やメカニズムを明らかにする必要がある．本研究ではDNS（直接数値シミュレーション）で厳密に計算された実際の火炎と同等な取り扱いが可能な乱流火炎データベースに対して，計算機上で光学計測と同様な計測を行う数値計測を創成し，その手法を確立することを目的とする．
光学計測と同様な輝度値分布を，数値計測によって得る手法について検討した．
計測領域中に仮想的なトレーサ粒子を散布し，シート状のレーザを照射することにより得られる輝度値分布を，数値的に得ることができた．

Investigating atomic scale catalysis using density functional theory

Octopusで利用可能なQuantum espressoを実行し、密度汎関数理論の基礎を学ぶことに成功した。特に、水素原子(分子)の局所状態密度、電荷密度などの計算を通して、量子化学の基礎を学ぶことができた。また、触媒表面であるルチル型TiO2(110)表面とSi (111)-7×7表面の構造最適化計算や電荷密度の計算に成功した。

Long-short term memory(LSTM)を用いた痛みの数値化のためのモデリングと評価

（目的）脳波による痛みの数値化のためのモデルの構築
（内容）GPUを使用できない、汎用CPUを使用する特徴量抽出の計算ステップについて、SQUIDの汎用CPUを用いることで、業務効率の向上を図る。

高次テンソル繰り込み群を用いたモノマー・ダイマーモデルの統計力学的研究

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

Artificial neural network modeling of phase transition of ZrO2 ceramics

To construct an artificial neural network potential for the atomic-scale simulation of the inner mechanics of phase transition in ZrO2 ceramics. We did following works for this study:
1. The train data including energy under different distortion pattern, energy under loading, surface energy, stacking fault energy and so on were calculated via DFT.
2. Additional reference structures by short molecular dynamics (MD) simulations for each polymorph at various temperatures over 1000 fs with a time step of 1 fs; after every 20th MD step, the structures were extracted and their total energies were computed using DFT.
3. This process, i.e., fitting a potential and using it for the generation of additional reference structures, was repeated until the newly generated structures were already found to be accurately represented by the potential.
The most accurate artificial neural potential we obtained used the hyperbolic tangent activation functions and contained two hidden layers with 17 nodes per layer. The mean-absolute-error (MAE) of training set and testing set were 1.9 meV/atom and 2.1 meV/atom, and the root-mean-square error (RMSE) are 3.1 meV/atom and 3.6 meV/atom, respectively. They are similar to each other which is an indication that our artificial neural network potential has not been over-fitted.

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

チタン－アルミニウム触媒系を用いたアルケンのヒドロアミノアルキル化反応の反応機構解析

当研究室で新たに開発したTi/Al触媒系によるアルケンのヒドロアミノアルキル化反応について、チタンとアルミニウムが会合した異種二核錯体がどのように反応を触媒し、位置選択性を発現しているのかを、反応経路探索により明らかにした。

分子雲コア収縮と原始星形成シミュレーション

3次元非理想磁気流体多層格子法を用いて星間雲から星が出来るまでの数値シミュレーションを行った。初期に星間雲が持つ回転軸を大局磁場の方向と傾けることで、大局磁場とは異なる方向に伝搬するアウトフローを再現することが出来た。この結果は、近年の星形成領域の偏光観測とよく一致しており、アウトフローの伝搬方向が磁場の方向と異なるメカニズムを説明することが出来た。

SU(3) QCDにおけるDirac流モノポールとカラーの閉じ込め

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

流体中の粒子の挙動解析

目的　流体中の粒子挙動を計算し、粒子が流体物性に与える影響を明らかにする。
内容　粒子の形状等を変更し、それらが流体物性に与える影響を調査した。
結果　粒子の形状等が流体物性に与える影響を数値計算の観点から明らかにすると共に、実験との整合を得た。

致死性不整脈の発生メカニズムの理解とその制御方法の確立

心室性致死性不整脈の発生には、先行するトリガー応答が発生することが知られている。そこで、トリガー応答の生成メカニズムを明らかにし、不整脈誘発危険度を定量化することで、不整脈の発症予防・制御の方法論の開発を目的とした。ヒト心室筋細胞の数学モデルを元に、6 × 6 ｃｍの心筋シートモデルを構成した。早期後脱分極（Early afterdepolarization: EAD）として知られる再分極異常を生じる心筋細胞群（クラスタ）が組織内に不連続に分布することが不整脈を発生する条件であると仮定し、興奮伝播ダイナミクスを検討することでトリガー発生機序を明らかにする。不整脈を惹起するトリガー応答の発生は、クラスタサイズ、クラスタ間距離に依存して起こる可能性を見出した。

フォトニックナノジェットを利用した微細加工に関する研究

フォトニックナノジェット(Photonic nanojet: PNJ)は誘電体マイクロ球にレーザを照射することで発生するビームである．PNJの高分解能な強度分布制御によって，高分解能に加工幅や加工深さを制御可能なレーザ微細加工技術の確立を目的とする．加工対象であるシリコンにPNJを照射した際の強度分布をFinite-Difference Time-Domain法を用いた電磁場シミュレーションによって解析した．特に，水中では焦点深度が長くなることがわかり，それを加工に応用することができることを明らかにした．

Rheology of a metallic liquid under steady shear

本研究の目的は，高温状態，過冷却状態，ガラス状態にある液体レオロジーの発現メカニズムを統一的に理解することである．この目的を達成するために，ガラス転移温度を含む幅広い温度領域での，定常せん断粘度のせん断応力依存性の計算を行った．結果，ガラス転移温度以下のガラス状態では，せん断速度が遅い場合に動的な降伏応力が観測され，ガラス転移温度以上の高温液体状態ではZero-shear viscosityを定義することができた．また，ガラス転移温度近傍では、冪乗則的な応力依存性が観測された．定常流動状態は広く履歴に依存しないユニークな状態として理解されているが，ガラス転移以下の流動での初期構造依存性が強く、長時間平均だけでなく統計的な平均を必要とする結果を見出した．また，ガラス転移近傍は，流動時間に応じて非常にゆっくりと応力変化が変化するために，有限の計算時間内では，いつ定常状態に達しているのかを明確に決定することは難しいことがわかり，これは見かけの定常性の存在を示唆している．

放射線挙動輸送コード(PHITS)による高速電子挙動シミュレーション

レーザー加速された高速電子の特性を明らかにすることが本研究の目的である. 高速電子の挙動を明確にするためには1015個の電子のモンテカルロ計算が必要である. 計算時間の短縮かつ高精度な結果を得るために大規模計算機システムを利用する. 大規模計算機システム(OCTOPUS)の環境下で放射線挙動輸送コード(PHITS)利用を可能にした. PHITS計算時間はラップトップの利用時に比べて1/4に短縮され、出力結果の誤差平均が35%から11%に減少した.

国民生活シミュレーションに基づく住宅・業務施設のエネルギー需要予測

開発モデルはGISや国勢調査などの利用可能な統計情報から対象地域に立地・居住する業務施設・世帯を生成し、生成した業務施設・世帯に対して建築仕様、設備仕様等に関する多数のエネルギー需要決定因子を組み合わせて付与するSyntheticアプローチを採用した。各業務施設、住宅のエネルギー需要推計では、施設利用者、住宅世帯構成員の生活行動を確率モデルにより生成し生活行動に基づいてエネルギー需要を定量化する。このような仕様により将来における技術普及がもたらすエネルギー需要および二酸化炭素排出量の変化を推計可能である。開発モデルにより、①日本全国の業務部門、②東京都世田谷区、三鷹市、調布市、狛江市の民生家庭部門、業務施設ストックの二酸化炭素排出量削減可能性の評価を実施し、開発モデルが有用であることを確認した。

津波浸水被害予測の高度化

目的：　津波浸水被害予測における断層推定において，最大の被害が生じうる断層パラメータを抽出するアルゴリズムを開発し，本プログラムの処理時間の評価を実施する．
内容：　津波浸水被害予測では発生した地震の断層推定によって浸水範囲が変わる不確定性が存在している．本研究では，マルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC法）を用いて断層推定の不確実性を定量的に評価し，浸水範囲が最大になる断層パラメータを抽出するアルゴリズムを開発する．また，XeonプロセッサとSX-Aurora TSUBASAでの処理時間の評価を実施する．
結果：　MCMC法で3×106通りの断層パラメータを作成し，海底面隆起量，津波浸水面積，断層パラメータとの相関があることを明らかにした．その結果をもとに浸水範囲が最大になる断層パラメータを抽出するアルゴリズムを開発した．そして，Xeon Gold6126（12コア）とSX-Aurora TSUBASA（10コア）での処理時間の測定を行い，6分以内に断層パラメータが推定できることを明らかにした．このことにより，津波浸水被害予測において予測の過小評価を回避するシステム化が行えるようになった．

First principle studies on electrochemical CO2 reduction reactions

  氏名：Kazuhide Kamiya 所属：Research Center for Solar Energy Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka…続きを読む

AMR法を用いた冠水時車両走行の水撥ねシミュレーション

車両走行による水撥ねの影響範囲を明らかにするため、AMR法を用いて気液界面に高解像度格子を動的に集め、さらに動的に領域分割することで計算効率を飛躍的に向上させ、大規模水撥ね問題のシミュレーションを行った。また、移動物体と気液二相流の相互作用にはFAVOR法とDual Contouring法を用い、移動する複雑形状を直交格子上で精度よく捉えている。車両の走行速度によって水撥ねの範囲が明らかになり、また車両の底部の水が掛る場所も明らかになった。コードはCUDAで開発され、AMRの8分木構造の管理をCPUで行い、リーフでの流体計算は空間充填曲線を用いた負荷分散により複数GPUでバランスさせた。また、二相流計算には運動量保存型スキームを用い、気液界面の捕獲にはThinc WLIC法とレベルセット関数を用いている。

比較ゲノム解析によるマラリア原虫の進化史と拡散過程の解明

NGSで新規に解読した未発表のサルマラリア原虫の配列データと公的データベースに保存されている宿主が異なる様々なマラリア原虫の配列データについて、すべてオルソログ蛋白質コード遺伝子について、塩基配列およびアミノ酸配列レベルでのアライメントを行い、それをもとにフィロゲノミクス解析により、マラリア原虫全体の系統樹を明らかにする。一方、世界各地から収集されたヒトのマラリア原虫に関する配列情報を精査し、人類史における民族の移動とマラリアの拡散に関する研究を行うための予備的データ解析を行う。

溶液蒸発過程におけるπ共役系高分子の凝集および分子配向ダイナミクスの解明

π共役系高分子の電子デバイス応用において重要な分子配向状態は，塗布製膜過程におけるπ共役系高分子の凝集化プロセスに依存していると考えられる．本研究では，溶液蒸発過程において生じる高分子の凝集化現象を分子動力学（MD）法に基づくシミュレーションによって解析した．トリクロロエチレン溶媒で満たし，周期的境界条件を適用した計算セルに， D–A型π共役系高分子 PDPP-DTTの無限鎖高分子モデルを主鎖配向状態で複数配置した．GROMACSによりMD計算を行い，溶媒を時間とともに削除することで擬似的に溶液蒸発過程を再現した．溶液濃度が低い場合，高分子は一定の距離を保った分散状態となっていたが，濃度が増加するに従って，一部の高分子が束状に集合して凝集化することがわかった．この結果を踏まえ，高輝度光科学研究センター（SPring-8）による小角X線散乱測定を行ったところ，PDPP-DTT溶液中に実際に凝集体が形成されていることが明らかになった．

2次元ハバードモデルの光学伝導度の最下端準位構造

２次元強相関電子系の基本モデルであるハバードモデルを用いて、半電子充填の場合にその光学伝導度スペクトルを解析した。特に興味はその最下端構造であり、磁気的相互作用を通じて電子正孔対が束縛されるかどうかである。本研究ではこれを厳密対角化の手法で有効モデルを用いて計算し、考察を行った。その結果、求まった一対の電子正孔対状態の状態数密度(DOS)と、それを最近接状態に投影した局所スペクトル(LDOS)を比較したところ、DOSはほぼ連続状態から始まる。一方、束縛状態に敏感なLDOSはそのやや下側にピークを有し、これは束縛状態の形成を意味する。その束縛エネルギーは0.1T（Tは運動エネルギーのスケール）より小さく、非常に浅い束縛状態であることが示された。

量子化学計算と分子動力学計算による界面イオン液体挙動のシミュレーション

電気化学において特に重要となる、電極とイオン液体の界面描像を分子レベルで明らかにするために、量子化学計算による電子状態計算と、分子動力学計算による分子挙動の解析を行った。結果、実験的に得られるイオン液体の紫外吸収スペクトルの帰属に成功するとともに、電極電位に応じた界面でのイオン液体の密度や配向を明らかにした。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

幾何学的深層学習の計算物理学への応用

AIシステムに望ましい性質の多くは，幾何学的に表現可能である．そのような性質を設計段階で保証できる幾何学的深層学習が存在する．本プロジェクトでは幾何学的深層学習の計算物理学への応用を検討する．具体的には座標系と演算を適切に設計することで，力学系のエネルギー，運動量，質量などの保存や散逸といった物理法則，光学異性体にある非対称性といった性質を保証するよう幾何学的深層学習を拡張する．また座標系と演算を学習することで，系が持つ物理法則や性質を発見する．

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

舶用プロペラ運航モニタリングのための海中無線通信技術の研究開発

本研究では、陸上の既存無線通信システムとの周波数共用を可能とし、かつ舶用プロペラモニタリングシステムに適用可能なアンテナの設計及びプロペラを含む船舶を構成する部品周囲の電磁界分布を定量的に明らかにすることを目的とする。

Study on generalization performance of deep image restoration with unfolding on small datasets

ディープラーニングを用いた画像復元手法では，一般的に高い性能を得るために大規模なデータセットが必要とされる．しかし，データ取得コストがかかるため，そのようなデータセットの取得が困難なタスクがある．このようなデータセットで学習すると、モデルは過学習し汎化性能が低くなる。対照的に，モデルベース最適化手法では，大量のデータ取得が困難な場合に有効であり，画像復元に広く採用されている．本研究では、Deep Neural Networkと最適化手法を深層展開したDeep Unfolding Networkを組み合わせることにより、学習データ量が限られた非理想的条件下で汎化性能を向上させる。上記手法をノイズ除去および画素補間のための小規模データセットに適用し、ディープニューラルネットワークの汎化性能が向上することを確認した。

湖沼，流域，河川，海域の水環境シミュレーション

三次元流動水質モデルおよび流域水文水質モデルを用いて，各種水域の流動・水質・物質輸送の数値シミュレーションを行った．

量子古典混合アルゴリズムによる量子化学計算とその並列化

近年、古典コンピュータと量子コンピュータがそれぞれ得意なところを担当する量子古典混合アルゴリズムが注目を集めている。本研究では、並列計算を用いることでこの量子古典混合アルゴリズムのシミュレーションの高速化を図った。具体的には、量子古典混合アルゴリズムの代表格である変分量子固有値法（VQE)のシミュレーションの並列化に取り組んだ。量子回路エミュレータにはQulacsを用い、量子回路パラメータ勾配をMPI並列を使いプロセスごとに独立に求める方法を採用した。開発したコードを用いて、20Qubitを使った水分子の基底状態エネルギーのVQE計算を使ってベンチマークをとった。CPUノードを利用した場合は、１ノードの場合と64ノード利用時点で32%の並列性能が得られた。

Ginzburg-Landau理論に基づいた数値シミュレーションによる超伝導の磁場依存性の研究

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

仮想心臓モデルによる心臓電気現象シミュレーション

大規模仮想心臓モデルを構築し，電気生理学的シミュレーションを行うことで致死性不整脈のメカニズム解明や，予防・診断に役立たせることを目指している．心筋細胞の電気的興奮に伴う電位変化（活動電位）を再現することが可能なユニット約500万個を組み合わせて心室壁モデルを構築した．心筋組織内の電気的興奮伝導障害の領域を設定し，伝導障害と心室性不整脈の誘発性および持続性との関係について検討した．伝導障害領域の大きさや，領域内におけるユニット間の電気的結合の大きさなどの伝導障害の程度や，電気刺激の条件を変えながらシミュレーション実験を行った．その結果，心筋内の電気的興奮伝導の障害領域の大きさや位置，不整脈を誘発させる電気刺激のタイミング等が，不整脈の誘発性に影響を与えることが明らかとなった．

微小スケールにおける流体運動の現象論的モデルに関する研究

近年のMEMS技術の進展に伴い，微小流路内での流動制御の重要性が増しているが，制御のベースとなる現象論（例えば壁面上での流速に対する境界条件）は未確立である．本研究では，分子動力学法による計算結果を流体力学に基づき解析し，微小スケールにおける流体がしたがう壁面境界条件（滑り境界条件）を抽出した．離散化されたNavier-Stokes方程式に対して任意形状の壁面上に滑り境界条件を課す計算手法についても検討を行った．

球面調和関数変換の高速数値計算ライブラリの開発

天体の大規模流体現象の数値モデルに応用するための球面調和関数変換ライブラリ ISPACK3 (https://www.gfd-dennou.org/library/ispack/) の高速チューニングをSquid システムにおいて行った。SX-ACE に対してはベクトル長とベクトル化を意識した多重ループコーディングを行った。Intel Xeon に対しては SIMD 命令を利用したアセンブラによるコーディングを行った。チューニングの結果、経度緯度格子点数 32768×16384、切断波数 16383 の球面調和函数の正逆変換の計算を、SX-ACE にて 954.3 および 969 GFlops (ピーク性能の約30 %)、Intel Xeon にて 3569 および 3785 GFlops (ピーク性能の約 60 %)の速度にて行えるようになった。

Exploring new materials using materials informatics

高分子材料に関する予測モデルの構築および逆解析を目的として、OCTOPUSを利用した。高分子材料に関するin-houseの実験データを用いて、材料組成から複数の物性を予測する機械学習モデルの構築を行った。各物性ともにR2=0.8程度と精度の良い予測モデルが得られた。この予測モデルを用いて数千万通りの仮想組成について逆解析を行い、所望の物性を同時に満たす材料組成の探索を行った。その結果、複数の物性を同時に満たすような組成の可視化につながった。

全原子モデル自由エネルギー解析に基づくポリマー材料への成分収着動態の解明

目的：ポリマー材料への低分子成分の収着性を全原子モデルで解析する
内容：分子動力学シミュレーションとエネルギー表示溶液理論を用い、セルロースアセテートに低分子成分(H2O, CO2, CH4)が収着する際の自由エネルギー（ΔG）を計算した。また、低分子成分とCAの間に働く静電相互作用（Eel）、van der Waals相互作用（EvdW）を個別に解析し、収着性に寄与する分子間相互作用を検証した。セルロースアセテートはアセチル置換度の異なる3水準を対象とした。
結果：左下に各成分のΔGを、右下に分子間相互作用(Eel, EvdW)を示す。ΔG はH2O > CO2 > CH4であり、極性分子が収着しやすいことが示された。また、DSが増加すると各成分においてΔGが減少する傾向がみられた。 分子間相互作用解析から、 CAへのH2O収着はEelが支配因子であることが明らかとなった。非極性分子（CO2, CH4）を比較するとEelに差異がみられた。CO2の四重極による影響と推察され、ΔGが異なる要因が明らかとなった。

エンジンシリンダ内燃焼現象の数値シミュレーション

目的　エンジンシリンダ内の燃焼現象（特に，化学反応）に関して，現象把握を目的に，乱流・化学反応動力学計算を実施した．
内容　エンジンシリンダ内の燃焼現象に関して，燃料／ガス噴射，火花点火，火炎伝ぱ，エンドガス部自着火，圧力波生成などの様子を圧縮性を考慮した3次元CFD技術により計算した．化学反応機構として素反応モデルを用い，一例として251化学種，1370反応を対象とした．並列計算を実施するために，OCTOPUSを用いた．
結果　一例として天然ガスにおけるエンドガス自着火における中間生成物の生成・消費過程を解析した．

CT画像と深層学習を用いた骨格標本上の形態学的変異の可視化と発見

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

畳み込みニューラルネットワークによるRNAグアニン４重鎖領域予測

G４重鎖はグアニンに富んだ核酸配列で形成される特殊な構造であり、mRNAの非翻訳領域に豊富に存在している可能性が指摘されている。近年のハイスループットシークエンシング技術に基づくトランスクリプトーム解析で、RNAグアニン４重鎖（rG4）が検出されるようになったが、その生物学的意義は概ね不明である。本研究では、rG4の機能解析に向けて、与えられた配列領域がrG4を形成するか否かを予測する深層学習に基づく数理モデルを提案した。具体的に、ハイスループットシークエンシング技術に基づくrG4プロファイリング法から得られる配列データを用いて、畳み込みニューラルネットワークモデルを訓練し、識別能力判定のためのテストを行った。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

高分子絶縁材料中における電荷輸送機構の解明

近年，高分子絶縁材料に無機ナノフィラーを添加したポリマーナノコンポジット材料について，高分子/フィラー界面の電子状態を第一原理計算によって明らかにすることで，界面での電子/正孔の挙動を説明し，フィラーによる機能発現メカニズムを解明することを目的とし，Quantum Espressoを用いて，高分子/フィラー界面モデルの第一原理計算を行った。フィラーの表面修飾を変化させることで，界面での正孔トラップ深さを変化させられることを明らかにした。

レンサ球菌の病態形成機構の解明

本研究では、侵襲性疾患由来株ならびに無症候性定着株の全ゲノム情報を比較し、ゲノムワイド関連解析（GWAS）と分子進化解析を行うことで、病態形成に必要な分子または無症候的に定着するための機構の解明を試みる。得られた情報をもとに、実験で因果関係を検証するとともに侵襲性病態の制御手段を探索する。GWASと分子進化学的解析を行うことで、病態と相関する因子を探索するとともに、自然淘汰に基づいた種における重要性を評価する。すなわち、現在加速度的にデータが収集されている細菌ゲノム情報について、感染モデルを用いた解析のみでは難しい、ヒトの臨床病態を反映した高解像度の解析戦略が可能となる。

MIへの適用を目指した量子化学計算

機械学習を用いて材料開発を行うマテリアルズ・インフォマティクス(MI)においてデータの質と量が重要となる。本テーマでは量子化学計算を利用したMIについて検討を行った。具体的な計算内容としては試薬ベンダー3社のHP上に記載されている構造情報を元にGaussian16を用いて構造最適化、エネルギー計算を行った。また、得られたデータを用いて主成分分析を行ったところ、第一主成分第二主成分の広がりが各社ごとにさほど差異がなかった。尚、約20万件の構造最適化計算におおよそ10万ノード時間を消費した。

DFT計算によるキラル分子の振動モード評価

探針増強ラマン散乱で得られたヘリセン分子のラマンスペクトルと比較するために、gaussian16を用いてラマンスペクトルを計算した。理論計算値はよく実験値と一致しており、目的の分子のTERSスペクトルが測定できていることを確認した。また、振動モードの帰属を行った。現在、強度について理論計算と比較することで、配向性について評価を行っている。

General-purpose neural network interatomic potential for the α-iron and hydrogen binary system

To understand the physics of hydrogen embrittlement at the atomic scale, a general-purpose neural network interatomic potential (NNIP) for the α-iron and hydrogen binary system is presented. It is trained using an extensive reference database produced by density functional theory (DFT) calculations. The NNIP can properly describe the interactions of hydrogen with various defects in α-iron, such as vacancies, surfaces, grain boundaries, and dislocations; in addition to the basic properties of α-iron itself, the NNIP also handles the defect properties in α-iron, hydrogen behavior in α-iron, and hydrogen-hydrogen interactions in α-iron and in vacuum, including the hydrogen molecule formation and dissociation at the α-iron surface. These are superb challenges for the existing empirical interatomic potentials, like the embedded-atom method based potentials, for the α-iron and hydrogen binary system. In this study, the NNIP was applied to several key phenomena necessary for understanding hydrogen embrittlement, such as hydrogen charging and discharging to α-iron, hydrogen transportation in defective α-iron, hydrogen trapping and desorption at the defects, and hydrogen-assisted cracking at the grain boundary. Unlike the existing interatomic potentials, the NNIP simulations quantitatively described the atomistic details of hydrogen behavior in the defective α-iron system with DFT accuracy.

ランタンヒドリドボレート触媒による二酸化炭素のヒドロシリル化反応の反応経路解析

新規に開発したランタンヒドリドボレート錯体触媒による二酸化炭素のヒドロシリル化反応について、カチオン性ランタン錯体とヒドリドボレートアニオンがどのように二酸化炭素を捕捉し、どのようにヒドリド還元反応が進行しているのかを、反応経路探索および鍵中間体の1点計算により明らかにした。

レーザー生成スズプラズマからの輻射発生の２次元輻射流体シミュレーション

レーザー生成スズプラズマから放射される輻射スペクトルの時間変化を解析するための２次元輻射流体シミュレーションの開発改良、及びコードを用いたプラズマダイナミクス、輻射スペクトルの解析を行った。10nsパルスのレーザー終了後、100nsに至る長時間の計算を行うことができるようになり、レーザーパルス終了後も光電離を引き起こし得る低エネルギー輻射が放射され続けることがわかるなど、プラズマダイナミクスと輻射スペクトル特性に関する結果を得た。

大規模多孔質場における反応輸送解析

大規模多孔質場の不均一構造に着目した電気化学反応輸送解析を格子ボルツマン法により実施し，局所反応量ならびに反応生成物濃度の空間分布に関する検討を行った．

量子化学計算ソフトウェアNTChemの開発

当研究チームで開発している量子化学計算NTChemについて，密度汎関数法計算のストロング/ウィークスケーリングを計測し，プロファイリングを取った．モデル系として 4,5-di(9H-carbazol-9-yl)phthalonitrile (2CzPN) 複合系を選択した．汎関数にはハイブリッド法のPBE0，基底関数にはSTO-3G, pcseg-0, pcseg-1 を用いた．
フラットMPIおよびMPI–OpenMPハイブリッド並列の性能を計測し，良好なスケーリングが発揮されていることが確認された．

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

Rational design for thermal stability of enzymes incorporating evolutionary information

本研究では任意酵素の構造安定性に影響するアミノ酸残基をRosettaソフトウェアで調査し、安定性に寄与するアミノ酸の位置や種類に関する情報を得ることを目的とした。中でも、ハロゲン化酵素の全てのアミノ酸残基に対して、進化的に保存性の高いアミノ酸に置換した点変異モデルを作成し、変異前後での自由エネルギー変化を評価した。その結果、244残基のアミノ酸を対象に配列保存度を元にした配列設計により、酵素全体の自由エネルギーが低下する結果を得た。これにより、熱力学的に安定な酵素が設計できたことを示唆しており、進化情報を利用した酵素の耐熱化につながる成果を得た。

Development of catalysts for carbon dioxide reduction

密度汎関数を用い、二酸化炭素吸着能を持つポリエチレングリコールで被覆したSn表面において二酸化炭素の移動経路を計算した。ポリエチレングリコールでSn表面を適度に被覆することで、反応物である二酸化炭素の供給を続けながら反応を起こす機構を明らかにした。

Limitations of Calculating Theoretical Solutions for Closed BCMP Queueing Networks and Verification of Alternative Theoretical Values by Parallel Simulation

新型コロナウイルスの蔓延により，世界中でウイルス感染防止の施策が行われている.コロナ禍以前は，混雑が発生した場合，人の密集は当然のことと認識されていたが，現在は人の密集を発生させない取り組みをしなければならない.しかしながら，建造物や施設構造の変更は容易でないため，人の動線の 分散や滞在時間の短縮などで，密集を防ぐ必要がある.適切な施設内での密集回避のためには，現実的なシミュレーションで評価を行う必要がある.混雑度を評価する手法に待ち行列理論があるが，待ち行列理論およびそのシミュレーションは，人と人との間隔，待ち行列と建物構造との関係，経路上の混雑を考慮していない.そこで，本研究では，施設密集度を定義して，待ち行列シミュレーション上に実在する施設環境を取り込み，待ち行列理論では確認することができない混雑や密集を施設密集度として評価できるシミュレーション環境を提案する.これにより，今後の社会に必須となる施設密集度を実モデルとして評価でき，社会にフィードバックできると考えられる.

輻射流体数値シミュレーションを活用したレーザー加工技術及び物質・エネルギー創生

多次元輻射流体数値シミュレーションを駆使し、レーザー駆動超高圧を利用したレーザー加工プロセス、新物質創生、及びレーザー核融合エネルギー創生に関わるレーザープラズマ相互作用の学理を明らかにすることを目的として研究を行なっている。本年度は金属スズ／アルミニウムへのレーザー照射時に発生するプラズマの挙動を２次元輻射流体シミュレーションにより解析した。計算結果は実験で測定された密度、温度との良い一致が見られ、プラズマダイナミクスおよびアブレーション物理特性の理解が得られた。

超音速 Batchelor 渦と斜め衝撃波の干渉による渦崩壊

超音速流では変動成長が圧縮性効果によって強く抑制される。本研究では，2つの交差する斜め衝撃波とこの渦を干渉させることによって，変動の成長度合いと渦崩壊が生じるかどうかを高次精度3次元数値計算を用いて調べた。

Numerical simulations in particle and nuclear physics

主に格子QCD等の計算とそれに関連する計算を行った。配位を生成し、物理量を計算した。位相クエンチ近似を使用して、アイソスピン化学ポテンシャル存在する場合の計算も行った。現象論的な解析も行った。

インジェクタの内部流動がキャビテーション生成に及ぼす影響に関する数値的研究

内燃機関において，液体燃料を効率よく燃焼させるためには，燃料を迅速に蒸発させる必要があり，そのために，液体燃料を微粒化することが重要となる．本研究では，舶用ディーゼルエンジンについて，微粒化に影響を及ぼす，インジェクタ内部の燃料流動を明らかにすることを目的とする．単純化したインジェクタ内部で回転流れを生成した場合の内部流動や噴孔で発生するキャビテーション現象の変化について検討した．
軽油模擬燃料について，流量を一定とした条件下において，インジェクタ内部の流れに回転を加えると，噴孔内部における気相の体積分率が増加し，キャビテーションの気泡生成量が異なっている可能性があることが分かった．

異種四核金属錯体における物性の予測および分子軌道計算

当研究室で光誘起触媒として反応性の探索を行っている異種四核金属錯体に関して、計算化学的手法によって、紫外可視吸収スペクトルなどの物性の予測を行った。さらに、軌道計算を通して吸収スペクトルに対応する軌道を可視化することで、触媒活性との比較や最適と考えられる波長を明らかにした。

湾曲流路を流れるLi噴流内部の詳細な流動構造に関する研究

核融合炉材料試験を実現するための核融合中性子源では、液体リチウム（Li）ターゲットに重陽子ビームを照射することで高エネルギー・高フラックス中性子場を形成するが、ビーム照射に伴う熱を除去するためにLiは高速で流される。施設の安全性や効率化を考える上で、液体Liターゲット内部の流動構造を詳細に把握することは重要な意味を持つ。そこで本研究では核融合中性子源で採用される湾曲流路を流れるLi噴流表面の状況やその内部の詳細な渦構造の把握を目的とし、LES計算を用いたLiターゲット流のシミュレーションを実施してきた。これまでは、実機サイズの1/2.5である阪大所有Liループを計算対象としてきたが、本研究では実機サイズを計算対象としている。膜厚は25mm、10mmであった阪大Liループモデルよりも計算体系そのものが大きくなる。噴流を形成する二段縮流ノズルとLi噴流部から成り、ノズル出口断面平均流速で15m/s条件の流量をノズル入口に設定した。Li噴流部はArガスとの気液二相流となっている。Li噴流は湾曲流路を流れており、流路幅方向は10mmとして周期境界条件を適用した。メッシュ数は約2100万、LES乱流モデルを用いて計算した。旧 日本原子力研究開発機構（現 量子科学研究開発機構）で実施された実機サイズのLiターゲット実験との比較を行い、計算結果が現象よく再現できていることを確認した。また、湾曲流路の底部近傍に形成される渦構造を捉え、それが成長していることを明らかにした。

熱流体物理の未解決問題の数値解析研究

スーパーコンピュータを利用して様々な問題の熱流体数値解析が行われているが、例えば、直管内で乱流遷移する位置と入口乱れ強さの関係を解明できる数値解析や理論は存在してこなかった。当方では、確率論的Navier-Stokes方程式とその境界条件の理論を新たに提案し、それに基づいて、現象の解明を可能にしてきている。また、それを用いて、高効率ロケットエンジンの性能検討を行ってきている。

勾配流法とスパースモデリング法によるQCD粘性の決定

2021年度公募型利用制度で採択された課題です。

格子ボルツマン解析の大規模多孔質反応輸送場への適用

流路を伴う大規模多孔質流動場を対象として，多緩和時間格子ボルツマン法(MRT)を実装し，多孔質内透過流れの解析を行った．

高速点火レーザー核融合における高密度爆縮コア形成のためのシミュレーション手法開発

目的　レーザープラズマ流体における運動論的な電子熱輸送を考慮することを目指し、簡易フォッカープランク方程式の開発、およびそれを輻射流体シミュレーションコードに組み込む。

内容　比較的強い強度のレーザーを照射する場合のレーザープラズマでは高いエネルギーを有する非熱的な高速電子の影響が無視できなくなる。この場合、熱伝導を従来の電子温度の勾配だけで表現できなくなることから、フォッカープランク(FP)方程式を解く必要がある。ただし、FP方程式を厳密に解くと計算量が大幅に増大するため、簡略化した手法を開発する必要がある。この一つとして陽的に解くM1法が存在するが、今回は、計算時間の短縮と安定化のために新たに陰的なM1法を導出し、コード化した。

結果　古典的なSpitzer-Harmの電子熱流束、流束制限付Spitzer-Harm、あるいは従来の非局所電子熱伝導モデルと比較し、物理的に妥当な熱流束結果が得られた。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

Ti粒界における溶質拡散の第一原理計算

α-Ti中の酸素原子の安定および準安定サイトを基に拡散経路を構築し，遷移エネルギーを算出した．最も低い遷移エネルギーは約1.9 eVであり，この値は実験報告値とよく一致する．固溶酸素原子は八面体孔サイトから，六面体孔もしくはNon-basal crowdionサイトを経由して長距離拡散することを明らかにした．

高分子物性の大規模分子シミュレーション

高分子系の物性を効率よく計算するために、分子動力学(MD)シミュレーションで多数のGPUを活用する技術を確立するとともに、物性を調べる具体的なプロダクトランを行った。阪大のGPU環境で、LAMMPS、HooMD-blue、Gromacsを相互利用し、全原子模型、ユナイテッドアトム模型、Kremer-Grest模型、散逸粒子動力学模型などのMD計算を効率よく実行するフレームワークを開発した。環状鎖を含む高分子系の挙動を詳しく調べた論文を出版した。さらに、研究を発展させるために、ポリエチレンの結晶化やその延伸破壊のMDシミュレーションなどの種々の予備計算を実施した。

爆轟現象の解明とその応用に関する研究

水素/酸素予混合気に対する詳細化学反応モデルを使用して，3次元の非定常圧縮性粘性解析を行った．今年度は障害物を有する実スケールの閉鎖管内を伝播する火炎から爆轟への遷移の数値解析を行い，デトネーションへの遷移における格子解像度の影響を評価した．

回転基板上の液膜のLESを使用した流体シミュレーション

回転する直径300mmのウェハモデルの中心に2LPMで供給された水が、基板上で広がる状態を 、OpenFOAMを使用して下記条件で計算した。
Software OpenFOAM v2012　　ソルバー interFoam　　Mesh数 26.3M　　界面補足法 VOF　　Turbulence Model LES
結果、中心から広がる液膜の波形状について以前より、より細かい形状を再現した。また、液膜速度と液膜厚に関して、実験結果と良い一致を得た。

NuFD/FFRによる圧縮機内部の流動解析

圧縮機、燃焼器、タービンからなる産業用ガスタービン全体を対象とした解析に向けて Nu、FD/ FFR による回転領域を含む圧縮機、タービンにおけるスライディング境界を含めた大規模な解析の高並列効率化、高実行効率化、圧縮性アルゴリズムの改善を目的にベンチマークテストを対象に検証した。対象はNASA の stage 35[1] に対して、設計速度の70％の条件とした。対象の圧縮機を市販のメッシャーにて総要素数4000万のヘキサメッシュで分割し、領域を608で分割し解析を行った。比較はシュラウドから10%、30 %、70％の面の相対マッハ数で比較した。各面の相対マッハ数を図に示す。既往の実験と比較すると、蔑間のマッハ数の分布、翼面での流れの剥離の様子が十分捉えることが出来ていないことが確認された。この原因はメッシュ解像度の不足または圧縮性のアルゴリズムに起因すると結論付けられた。今後の課題としてメッシュの過密による空間の高解像度化が必要であることと圧縮性アルゴリズムの一層の改善が今後の課題となった。当初の目的であった高並列効率化、高実行効率化および圧縮性アルゴリズムの改善について評価する。圧縮性アルゴリズムについては先にも論じた通り、今後も改善の必要性があることが確認された。高並列効率化についてスライディング面での通信を見直すことにより通信に要する時間が20％の短縮が実現したため、本課題を通して一定の成果があったものと考えられる。高実行効率化について、高並列効率化が実現したことにより実行効率も5％上がったことを確認できたため、高実行効率化についても本課題を通して一定の成果があったと結論付けられる。以上から、今後実施される産業用ガスタービンを対象とした数値解析に必須となる、大規模並列計算に耐え得る高並列効率化、高実行効率化について一定の成果があった。一方、圧縮性流体の高精度な解を得るための圧縮性アルゴリズムに関しては今後も改善していく必要があることが確認された。

Kinetic Monte Carlo simulation of chemical short-range order formation kinetics in high-entropy alloys

In this study, we designed a simulation framework to obtain the time–temperature–CSRO degree (TTC) diagram in HEAs using the kinetic Monte Carlo (kMC) method based on the assumption of the vacancy diffusion dominated CSRO formation process.

超音速燃焼を考慮した圧縮性粘性流れの数値解析法に関する研究

再使用型宇宙往還機の転回時の対規模剥離を伴う空力特性を把握するために3次元非定常圧縮性粘性解析を行った．4種類の乱流モデルとSA-DES，ILES-RANSハイブリッド法の合計6種類の乱流評価法を用いた．このコードは大規模な並列を行うことで，効率的に計算結果を得ることが可能となっている．この解析により，乱流モデルの特徴と格子解像度の影響が明らかになった．

深層学習を用いたカラーキャラクタイラストの自動着色

本研究では、カラーイラスト制作において、非常に手間のかかる、手書きイラスト線画の着色の自動化を目指す。線画の自動着色では、ユーザが色の指定を行えるようにするため色ヒントの入力が可能な場合が多く、本研究では色ヒントとして参照画像を使う。自動着色を行う際に、既存研究では、色のみの反映しかできないため、瞳の詳細やハイライトの反映も可能にし、より人が行う着色に近い、自動着色を本研究では目指している。

Multi-layer history-dependent generalized stacking fault energy in high-entropy alloys

To investigate the comprehensive deformation mechanism in chemically ordered high-entropy alloy (HEA) controlled by the theory of multi-layer history-dependent generalized stacking fault energies. We have done following work for this study:
1. Construction of database for neural network interatomic potential (NNIP) using density functional theory (DFT) calculations.
2. Use molecular statics (MS) simulations to determine the various generalized stacking fault energies with history-dependence theory in chemically ordered high-entropy alloys.
3. Use kinetic Monte Carlo (kMC) method to simulate the microstructure evolution based on the nucleation theory and the history-dependent generalized stacking fault energy theory.
We found that the multiple-time slipping induces chemical short-range order (CSRO) collapse, leading to local shear softening owing to the history dependence of GSFE. By kMC simulations, we proposed a laminated microstructure evolution that involves twinning and hcp phase transformation which can be controlled by the chemical order of such alloy.

Studies of classical and quantum many-body problems: tensor network approach

高次特異値分解を用いたテンソル縮約法（HOTRG）や密度行列くりこみ群（DMRG）を用いて２次元・３次元多体問題の解析を行った。HOTRGの並列計算手法を開発し、３次元ダイマー系残留エントロピーの高精度値を得た。２次元HOTRGにおける特異値分布とDMRGの密度行列固有値分布間に一般的関係があることを用い、対象系の非臨界性判定法を新たに考案した。

反対称化分子動力学法による原子核及びハイパー核の構造研究

核子散乱実験で得られたベア(bare)な核力に基づいて原子核の構造を理解することは、原子核物理学の大きな目的の一つである。反対称化分子動力学法は核の様々な構造を記述可能な手法であるが、従来の研究ではベアな核力ではなく、有効核力を用いる必要があった。本研究の目的は、反対称化分子動力学法に基づき、ベアな核力を用いて原子核を記述する手法を構築することである。本年度は、水素３原子核についての数値計算を実施し、核内に高運動量成分を取り入れることで核子間の相関を記述し、他の第一原理計算と同等の結果を得ることに成功した。現在、この成果を誌上論文として発表すべく、準備を行っている。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

高ガス溶解度、高ガス拡散係数、金属への低い吸着性を併せ持つイオン液体の探索

イオン液体は100℃よりも十分に低い融点をもつ溶融塩であり、カチオンとアニオンの選択により物性や機能をデザインできる。しかし、そのデザインバリエーションの豊富さに対し、実験によるトライ&エラーで探索できる範囲はごくわずかであり、有望な未発見のイオン液体が存在する可能性がある。本利用ではイオン液体探索のためのイオン液体中のガス拡散係数、ガス溶解度、電極への吸着エネルギーについて、約500水準のガス拡散係数、ガス溶解度等のデータを生成することができた。本教師データを用い、探索を行い、いくつかの候補物質を得た。

効率的なタンパク質のリフォールディング条件の探索

タンパク質のリフォールディングを行うための効率的な実験条件を決めるための指標として、分子シミュレーションによる解析を行なった。具体的にはタンパク質のランダムコイル状態から変性剤の種類や濃度を変えた場合について、折り畳み過程を追跡する分子シミュレーションを実行した。結果として、特にモデルタンパク質Trp-cageのシミュレーションでは、折り畳みの速度や構造の安定性について溶媒環境の違いに差が見られ、実験で知られている二次構造の安定性の違いと傾向が一致した。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

流れの急加速・急減速を伴う平行平板間乱流熱伝達の直接数値解析

流れの非定常性が乱流場における運動量と熱の輸送機構へ与える影響を調べることは工学的に重要である．本研究では基礎的な平行平板間乱流を対象に，流量が短時間の間に急激に増加，もしくは減少する系の直接数値解析（DNS）を実施し，流量の変化に伴う壁面熱伝達や乱流渦構造等の変化を調べた．

5次元Langevin方程式による核分裂の研究

本研究の目的は、Cassiniパラメータを用いて分裂過程の原子核形状を記述し、多次元Langevin方程式によって、核分裂の動力学シミュレーションを実施することである。我々はまず4つのCassiniパラメータを用いて、核分裂の4次元Langevin計算を行い、さらにパラメータを1つ増やした5次元計算まで実現した。計算対象はウランやフェルミウムなどのアクチノイド核とした。4次元計算はウラン核分裂の質量分布を再現したが、フェルミウムでは良い結果が得られなかった。5次元計算によって、フェルミウム256から258で質量分布が劇的に変化する結果が得られた。今後は、5次元計算結果の解析や他の系での検証を行う。

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション

第一原理計算手法に基づくルチル型TiO2 中の酸素空孔挙動の解析

TiO2中の酸素空孔とその局所集積により形成する積層欠陥である剪断面は、メモリスタ特性をはじめとするTiO2の物性に大きな影響を及ぼすことが知られている。本研究では、TiO2中酸素空孔の挙動と剪断面構造との相関を明らかにすることを目的として第一原理計算に基づく解析を行った。

Role of nuclear force and resonance phenomena in light nuclei

１）中性子過剰He同位体、及びミラー核である陽子過剰核における多体共鳴状態を理論的に調べた。２）核力が原子核にもたらす多粒子相関を取り入れた多体論を用いて軽い原子核の第一原理計算を行った。特にテンソル力と短距離斥力が生む相関を近似なしに扱うエネルギー変分計算を行った。

電離層プラズマ中の電場分布に関するシミュレーション

スーパーコンピューターを用いた2 流体シミュレーションを実施し、電離層プラズマ中の電場分布を評価した。時間とともに電場分布が大きくなっている事が示された。

乱流および混相流の直接数値シミュレーション

壁面せん断流の亜臨界乱流遷移において，その遷移過程と発現構造は複雑で，理論的アプローチが困難である．本研究では，環状流や後退翼平板境界層などの直接数値シミュレーション（DNS）を行い，時空間間欠性や粗面条件に応じた乱流遷移過程の変化などを調査した．また，気液界面を含むミリスケール液滴・液膜の挙動などをOpenFOAMにより解析した．

自由噴流の混合制御に関する数値シミュレーション

DNS(Direct Numerical Simulation)により，傾斜回転させたノズルに脈動を印加する方法により自由噴流を壁面に衝突させた衝突噴流において，伝熱特性が全体的に広がり均一化されることを明らかにした．また，13本の自由噴流を間欠的に噴出させる制御を行い，間欠周期を長くすることで伝熱性能が向上することを明らかにした．さらに4本の衝突噴流を列方向に周期的に振動させる振動制御において，衝突距離，振動周波数および振動振幅を変更し伝熱特性を評価した結果，全ての条件において，伝熱面上の伝熱性能が均一にできることを明らかにした．

素粒子・原子核物理学の数値的研究

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学（ＱＣＤ）を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究を中心に使用されている。その内容は、格子ＱＣＤによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法を始め、深層学習の加速器実験への応用を含む。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学（質量などの計算）とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質・状態方程式、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・原子核構造
３-４核子系の精密計算、原子核密度汎関数法、相対論的Brueckner-Hartree-Fock理論

(iii) 機械学習
加速器実験への応用（加速器の運転制御、Belle実験・ILC実験での信号識別・フレーバー識別、ILC SiDカロリメータのエネルギー較正）、医療データの機械学習による分析

(iv) その他
２次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論、加速器実験シミュレーション