大型ハドロン衝突型加速器、大幅なアップグレードで新物質探索へ
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大型ハドロン衝突型加速器、大幅なアップグレードで新物質探索へ

サイエンティフィック・アメリカン

[著者:Daniel Garisto]最後の瞬間、最後の陽子は光速に近いスピードで飛行した。彼らは金属のコイルから解放され、鋼鉄でコーティングされた巨大なグラファイトブロックに叩きつけられるまで、アルプスの田園地帯の地下で27kmのループを1秒間に11,245回完了させたのだ。2018年12月以降、あちこちでテストが行われた以外、大型ハドロン衝突型加速器(LHC)はオフラインになっていた。しかし4月22日、LHCは再び始動し、3回目の運転を開始した。

「加速器は3年間停止していた」と、LHCのコンパクト・ミュオン・ソレノイド(CMS)検出器の実験粒子物理学者であるフレア・ブレクマン氏は言う。「だから、制御室に入ったことのない人がいる...データを取るための稼働を経験したことがない人だ。彼らにとっては、非常にエキサイティングなことだ」。

フランスとスイスの国境に位置するLHCは、ジュネーブに近い欧州原子核研究機構(CERN)の至宝である。LHCは、資金、人員、物理的サイズなど、ほぼすべての面で世界最大の素粒子物理学実験である。2012年、LHCの2つの実験、A Toroidal LHC ApparatuS(ATLAS)とCMSはヒッグス粒子を発見し、素粒子質量の起源を探る50年にわたる探索を完了した。研究者たちはペンタクォークの発見など他の成果も自慢していますが、これらの科学的成果は、素粒子とそれを支配する力に関する標準模型を超える「新しい物理」を発見できなかったLHCの失敗という感覚によって、時に影を潜めている。

ここ数年の間パワーダウンしたLHCは、アイドル状態とは程遠く、活動の喧騒に包まれている。エンジニアは、その"ルミノシティ"を向上させるために衝突型加速器の機能をアップグレードし始め、本質的に1秒間に1平方センチメートルに存在すると思われるどのくらいの粒子の衝突の指標だ。一方、物理学者は、高輝度化によって増加する衝突の数に対応するために検出器を増強している。研究者はまた、干し草の山からことわざの針を見つけるために、より良いふるいにかける新しい分析を開発した。

3回目の実験が始まるとき、素粒子物理学者は、ウィークボソン(Wボゾン)の質量の予想外に大きな新しい測定値から、長年にわたるミュー粒子のg-2の不一致まで、多くの心ときめく異常に直面しているが、新しい物理の確固たる証拠には至っていない。インドのタタ基礎研究所の理論家であるニシタ・デサイ氏は、「明白な証拠があるわけではない。『ここで発見がある』というようなものではない」。

新しい物理学を発見する他の手段が存在する一方で、衝突型加速器は依然として不可欠である。基本的な粒子について知るには、粒子をぶつけ合ってその残骸を調べる以外に方法はないのだ。LHCに代わる別の衝突型加速器が登場するのはまだ数十年先のことであり、LHCは素粒子物理学者にとって、標準模型の先にあるものを発見するための最良の希望なのだろう。

古いもの、新しいもの

2000年代に入ると、素粒子物理学者は宇宙の構成要素に関する理論の仕上げに取りかかった。衝突型加速器のデータから、陽子と中性子はクォークがグルーオンという名前の通り強く結合したものであることがわかった。核分裂や核融合は、クォークがWボゾンを交換することによって起こる。最も軽いクォークのペアであるアップとダウンに続いて、より重いチャームクォークとストレンジクォーク、さらに重いボトムとトップが存在する。同様に、電子にはより重いミュー粒子とタウ粒子があり、質量以外は電子と同じである。これらの粒子は、物質を構成するフェルミ粒子と、力を伝えるボソンに大別される。

この壮大な理論は、おそらく想像を絶するほど「標準モデル」と呼ばれているが、多くの人々に不満が残った。その1つは、標準理論には重力に関する記述がないことだ。また、宇宙の質量の95パーセント以上を占める暗黒物質と暗黒エネルギーという謎の現象についても、標準理論では何も語られていない。特に、物理学者たちは、標準モデルの粒子がどこから質量を得ているのかを知りたがった。

1960年代の理論家たちは、粒子の質量は、空間全体に浸透している知覚できない場から生じていると考えていた。英国の理論家ピーター・ヒッグスは、この場にはヒッグス粒子と呼ばれる関連粒子が存在すると示唆した。ヒッグス粒子が見つかれば、素粒子に質量を与えているメカニズムが証明されることになる。

最初の数年間は波乱含みでしたが、ATLASとCMSは2012年7月4日、陽子の約125倍の質量を持つ「ヒッグス的」粒子を発見したことを発表した。

これは歴史的な快挙であり、物理学者だけでなく、エンジニア、電気技師、コンピュータ技術者、管理スタッフなど、数十年にわたる仕事の集大成であった。しかし、ヒッグスを発見したことは、決して衝撃的なことではありませんだった。「何も見つからなかったら、もっとショックを受けたと思う」とデサイは言う。

2013年から2015年にかけて、LHCは修理と小さなアップグレードのために最初の長期シャットダウンを行った。その後、2015年から2018年にかけて、LHCは2回目の運転を行い、前回の運転のほぼ2倍のエネルギーでより多くの粒子を粉砕した。新しい物理学への期待はまだ比較的高かったのだ。2015年にATLASとCMSが750ギガ電子ボルト(GeV)前後の新しい粒子のヒントを報告すると、理論家はそのチャンスに飛びつき、この異常について何百もの論文を発表した。多くの論文が、超対称性(SUSY)、つまりボソンにフェルミ粒子が対応し、逆に物質と力の間に新しい対称性がある理論のクラスへのヒントであると示唆した。つまり、物質と力の間の新しい対称性である。フォトン(光子)はフォトンの鏡であり、クォークはスクワークの鏡である。これらの超対称的な対応物は、質量が大きくなると見えないところに隠れてしまうと考えられていた。超対称的な粒子が存在すれば、ヒッグスの質量が小さいことを説明できると同時に、暗黒物質の候補にもなり得るので、SUSY理論は物理学者にとって魅力的だったのだ。しかし、より多くの情報が入ってくるにつれて、データ上の隆起は新しい粒子ではなく、統計的な異常であることが判明した。

「ある世代の物理学者たちは、加速器のスイッチが入るとすぐに、SUSYを見ることができ、新しい物理を見つけることができると言われていた」 と、ブレクマン氏は言う。「しかし、そう簡単にいくわけがないのだ」

発見欲の強い科学者たちは、長寿命粒子(LLP)のような他の方向での探索を始めている。物理学者が新しい重粒子を探すとき、その寿命は一瞬だと思われている。しかし、LLPは、崩壊する前に検出器の視野の外に移動するのに十分な長さがある。3回目の実験では、LHCの検出器は、これまで見逃していたかもしれないLLPを捕らえるために、改良された分析を行う予定だ。

標準モデルの成功とそれを「破る」失敗によって、素粒子物理学者は危機に直面している、彼らは40年間砂漠をさまよっている、と非難されている。しかし、デサイは、この説はまったく逆だと言う。「実際、素粒子物理学は危機的な状況から脱しつつあると言えるだろう。「若い人たちの多くは、そのことを喜んでいると思いる。

巨大すぎる建造物

世界最大の機械のアップグレードは、たとえ重要なインフラが地下100メートルになくても、途方もない努力にほかならない。

LHCの機器は、数年にわたる運転が終わるたびに、改修が必要になる。2度目の長期停止を監督したCERNの技術責任者、ホセ・ミゲル・ヒメネスは、作業が必要な分野を矢継ぎ早に列挙する。「技術インフラ、冷却、換気、配電、電気安全、エレベーター、クレーン、ドアアクセスシステム、火災探知機などだ」。

LHCの重要なコンポーネントは超低温に保たれなければならないため、通常の運転中に修理を行うことは困難である。約130トンの液体ヘリウム(中型のシロナガスクジラの重さほど)は、3万6千トンの衝突型加速器を4ケルビン以下に保っているのだ。磁石や泡状の加速空洞を含むこれらの部品は、施設全体の機能に必要な大電流を抵抗なく流せるように冷やされているのだ。温めるのに数カ月、冷やすのにさらに数カ月かかるため、冷えた部分にちょっとしたトラブルがあっても、修理には法外な時間がかかる。

LHCのビーム源は、1970年代から使われているLinac2からLinac4へと完全に置き換えられた(Linac3はすでに別の加速器に使われていた名称)。LHC Run 3では、LHCで衝突するすべての粒子は、Linac4で水素イオン(基本的には2個の電子を持つ陽子)の帯電したスープとして始まる。このスープからのイオンは「束」になって送り出され、160メガ電子ボルト(MeV)まで加速される。

LHCのビーム運転責任者であるヨルグ・ヴェニンガー氏は、「入射エネルギーを上げることで、実際に高い強度を保つことができる」と説明する。陽子は同じ電荷を共有しているため、互いに反発し合おうとする。しかし、陽子のエネルギーが高くなると、この反発に対抗する磁場が発生し、より多くの陽子を同じ空間に入れることができるようになる。水素イオンを使って余分な電子を取り除くと、ビーム密度がさらに高まり、直径約3ミクロンに押し込められた約1,200億個の陽子の束となる。

この密度は、LHCの検出器が最終的に見ることのできる衝突の回数を決定するため、非常に重要である、とCERNの上級物理学者でLinac4の運用を指揮したベッティーナ・ミクレックは言う。というのも、LHCで検出器が最終的に何回衝突するかを決めるからだ。

入射器からビームはブースターリングに入り、陽子を2GeVまで加速する。メインコライダーリングに入ると、陽子は検出器の近くにある新しいアルミニウムのビームパイプにぶつかる。「ステンレス鋼の問題は、金属内部のコバルトがデフォルトで放射性物質になってしまうことです」とヒメネズ氏は言いる。

干渉を避けるために、ビームはできるだけ空気を排除した真空にする必要がある。LHCのビームラインは、大気圧の1兆分の1という低圧で、太陽系で最も空気のない場所と呼ばれている。ヒメネス教授によれば、陽子は何百時間でも移動でき、空気の分子にぶつかる可能性は基本的にゼロだという。

LHCは、磁石やビームだけでなく、コンピュータや極低温装置、真空システムも含めて、稼働時には年間約800ギガワット時、つまりジュネーブ市全体の半分という驚くべき量のエネルギーを消費するのである。「私たちは、ある意味、CERNの電気事業者なのだ」と、電気プロジェクト管理責任者のマリオ・パロディ氏は言う。CERNの電力は主にフランスから供給されており、送電網の約80パーセントが原子力エネルギーに依存している。したがって、核子を打ち砕くための電力の多くは、原子核を分裂させることで得られるのだ。

COVID−19が世界を席巻したとき、シャットダウンを行ったが、それはほんの少しの間だけだった。CERNは2020年3月24日にロックダウンしたが、ヒメネスによれば、5月には早くも一部の作業が再開された。残りのパンデミック期間中、チームはワークスペースに人を詰め込むなどの問題を意識する必要があった。エレベーターがボトルネックとなり、地下への移動がさらに困難となり、COVID−19に限らず、トンネル内で何らかの事故が起きれば、作業員が立ち往生してしまうという安全上の問題もあった。

しかし、ヒメネスと彼のチームによる綿密な計画のおかげで、Run 3の開始はわずか1年遅れで実現した。

すべてが照らされる

データを取っていない間も、検出器実験の物理学者たちは自分たちの修理やアップグレードに忙しくしていた。

ATLASは、長さ46メートル、高さ25メートル、エッフェル塔の骨組みの重さ約7000トンという巨大な筒状の装置である。一方、CMSはATLASの半分の大きさだが、重量は2倍あり、緊密に結合した検出器だ。CMSはソレノイドというリング状の磁石を使い、ミュー粒子などの荷電粒子の軌道を曲げる。

より高密度のビームを生成するための入射器へのアップグレードは、Run 3において、ATLASとCMSの両方が時間をかけて実質的にその輝度を2倍にすることを意味する。より高密度のビームはより多くの衝突を意味し、より多くのデータを意味し、新しい物理学の証拠となり得る稀な事象を発見する可能性をより高めることになる。

光度の増加に対応するためには、より速く、より良いデータを取得する必要がある、とブレークマン氏は言いる。ATLASとCMSの両方は、ヒッグス粒子が2つの光子に崩壊するような粒子事象を認識するためにソフトウェアとハードウェアを使用するシステムである「トリガー」を見直した。初期の段階で寄せ集めの中から読みやすい事象を選別することは、後の分析に極めて重要だ。

これらのアップグレードには、いくつかの解 体が必要だった。CMSは、その重量にもかかわらず、ホバークラフト のようなエアパッドの上に乗っているスライスから構築され、引き離すことができま す。しかし、CMSを分解したり組み立てたりすることで、検出器に影響を与えるミクロン単位の変位が発生することがある。ブレークマン氏と彼女の同僚は、物事があるべき場所にあることを確認するために、装置を通過する宇宙線の直線を水準器のように使用している。

ATLASの重要なアップグレードは「新しい小さな車輪」だ。この車輪は10メートルもあり、正確には「小さな」ではなく、実際には回転しない。ワイヤーでできたこの薄い部屋は、ミューオンなどの粒子が衝突地点から検出器の他の部分へと飛び出していくときの軌跡をとらえる。

アップグレードは新しい粒子の発見につながる可能性があるが、ATLASとCMSは他の責任も負っている。「これらの実験が単なる発見装置ではないことを忘れてはいけない」とブレークマン氏は言う。「彼らは測定装置でもある。私たちが知っている粒子をより良く理解することは、それ自体が重要な科学であり、標準モデルのパラメータを正確に突き止めることは、将来の実験がそれを破るのに役立つかもしれない」

ATLASとCMSが適度なアップグレードを行ったのに対し、ボトムクォークと呼ばれる粒子を使用するLHCb検出器は、完全に仕様を変更される予定だ。「我々は完全に新しい検出器の試運転を開始するつもりだ」と、LHCbの実験粒子物理学者パトリックコッペンブルグは言う。「粒子を見分けるために、より良い分解能が必要だ」

LHCbは陽子の束が交差するたびに1回の衝突を見ていたのを6回にする予定だ。検出器の解像度が低すぎると、すべてのピクセルが粒子によって攻撃され、使い物にならなくなる「黒」になってしまう。コッペンバーグ教授と彼の同僚たちはより高い解像度の粒子追跡装置を設置し、LHCb が Run 2 で見た魅力的な異常を検証するためのデータを提供することを期待している。

LHCに新たに追加された検出器は同型の検出器よりもはるかに小型で、スーツケースにすっぽり収まるほどだ。前方探索実験(FASER)は暗黒部門に関連するような新しいフェザー級粒子を検出するように設計されており、FASERnuはよく知られた粒子、すなわちニュートリノを検出するように設計されている。

どちらの検出器も、ATLASから数百メートルの固い土で隔てられた、ぴったりとしたトンネルの中に設置されている。ニュートリノのような弱い相互作用をする粒子や、まだ知られていないダークセクター粒子だけが、このトンネルを通り抜けることができるのだ。幸いなことに、ATLASの衝突で発生する軽量粒子は、高度に集束されている。カリフォルニア大学アーバイン校の物理学者でFASERの共同設立者であるジョナサン・フェング氏は、「大まかに言って、粒子の約90%は480メートル先にある紙片を通過します」と言う。FASERの共同設立者であるカリフォルニア大学アーバイン校の物理学者ジョナサン・フェン氏は、「FASERを大きくしても、実際に発生率はあまり上がらない」と言う。

FASERは、基本的に、ダークセクターの粒子の崩壊を検出するために設計されたトラッカーでいっぱいのほとんど空のチューブだ。FASERnuは逆の戦略を使っている。「私たちは、ニュートリノが実際に相互作用するために、できるだけ高密度の材料が欲しい」とフェン氏は言いる。検出器は基本的に、1,000枚のタングステン板を挟み込んだカメラフィルムでできている。タングステンの高密度(鉛の約2倍)は、ニュートリノがより多くのターゲットに散乱することを可能にする。データ取得の最後に、タングステンフィルムサンドイッチは回収され、分析される。時間分解能を犠牲にしているが、それを補って余りある空間分解能があり、フェン教授と彼の同僚たちはタウニュートリノの崩壊から生じるミリメートル単位の飛跡さえ特定できるようになる。

このブロックの最新の実験では、基本的に失望する余地はない。FASERnuについて、フェン氏は「私たちは基本的に興味深い物理を保証する。そして、思索的で革命的な物理学もある。もしFASERが実際にダークセクター粒子を発見したら、小さな検出器でも大きな新しい物理学の到来を告げることができるのだ」

見守ること、待つこと

Run 3が始動すると、物理学者はすでにビームを6.8テラ電子ボルト(TeV)の新しい最大エネルギーに押し上げた。これは、LHCが作った以前のエネルギー記録を超え、人間が作った中で最も高エネルギーの粒子ビームとなった。「これまでのところ、非常にうまくいっている」とウェニンガーは言う。「しかし、ねじれを直すには時間がかかる。最初の衝突は、もっと低いエネルギーで、約1ヵ月後に開始される予定である」

「何がうまくいっていて、何がうまくいかないのか、まだわからない」とコッペンブルク氏は言う。LHCbのような検出器を校正するためには、研究者は「標準モデルの粒子を1つずつ再発見していかなければならない」のである。「光子は光子らしく、電子は電子らしく......と確認できてはじめて、研究者たちは自分たちの結果に自信を持てるようになるのだ」

しかし、すべてが計画通りに進んでも、発見には時間がかかる。しかし、科学者たちが膨大なデータを精査し、結論を出す前にすべての不確定要素を整理するには、何年もかかるかもしれないのだ。

その間、理論家たちは異常について考え続け、検出器が見た矛盾の原因となるような仮説的な粒子を夢想し続けるだろう。エンジニアもまた利害関係のない当事者ではない。「我々は実験が何をやっているのかを注意深く観察している」とヒメネスは言う。「私たちは、将来のプロジェクトや将来の物理学のために技術を開発することはできるが、何かを発見することはできないのだ。つまり、発見は検出器から来るのだ」

検出器、注入器、磁石、何千トンもの超低温のコライダーはどうか? それらはすべて、コロナのシャットダウン中に行われたハードワークから来るものだ。

Original Article: Large Hadron Collider Seeks New Particles after Major Upgrade

© 2022 Scientific American.