帝都大学理工学部物理学科の准教授・湯川学（福山雅治）の元に、貝塚北署の新人刑事・内海薫（柴咲コウ）がやってくる。尊敬する先輩刑事・草薙俊平（北村一輝）のアドバイスで、管内で起きたある事件について彼に捜査協力を求めるためだ。
それは、住宅街の通りにたむろしていた若者のひとりが、突然、頭が発火して死亡するという事件だった。人体が突然発火するという現象に強い興味を抱いた湯川は、研究が遅れるという助手・栗林宏美（渡辺いっけい）の忠告にも耳を貸さず、薫とともに事件現場を訪れる。
そんな中、湯川たちは、事件現場で空を見上げている幼い少女に出会う。少女は事件があった日、空に浮かぶ赤い糸を見つけたという。何かがひらめいた湯川は、現場近くで機械部品などを作っているという時田製作所に注目する。社長の時田（小林すすむ）は、薫が刑事だと知って、困惑していた。そこで勝手に工場内を見て回っていた湯川は、金属部品のひとつを手に取り、従業員の金森（唐沢寿明）から注意される。
時田から事件のことを尋ねられた湯川は、自然発生したプラズマによる事故ではないかと答え、もしもう一度同じ場所で起これば捜査も打ち切りになる、などと言い出す。薫が説明を求めると、湯川は、まだ仮説の段階なのだから教えられないと答え、「実に面白い」と言って笑みを浮かべた。薫は、そんな湯川の態度にキレ、彼を怒鳴りつけるが…。