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LHC計画 姿を現したTGCシステム
LHC計画 記者懇談会資料 その１ 姿を現したTGCシステム 2007.12.5 アトラス日本グループ 1 ＣＥＲＮ（欧州合同原子核研究機構） CERN 研究所： CERN（Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ） 欧州合同の加速器を用いて素粒子物理を探究する研究所。 沿革： 1954年：欧州12カ国の国際的研究機関として設立 1959年：28GeVの陽子シンクロトロン(PS)完成 1971年：陽子･陽子コライダー(ISR)の完成 1976年：450GeV大型陽子加速器(SPS)の完成 1983年：陽子･反陽子コライダーでWとZ粒子を発見 1989年：50+50GeV電子・陽電子コライダー(LEP)の完成 2008年：LHC加速器の完成、LHC実験開始(予定) 20カ国のCERN加盟国はGNOに比例してCERNの予算を出す。 運営： 年間予算： 1,065MCHF(1,050億円) GNPに比例 職員数： 約2,500人 加盟国：ドイツ, イギリス, フランス, イタリア, スペイン, オラン ダ, スイス, ベルギー, スエーデンなど欧州の20カ国（図参照） オブザーバー国：日本、米国、ロシア他２カ国など その他： ・利用者：6,000人 ・World Wide Webの誕生地 CERN研究所はジュネーブ市近くのスイスとフランスの 国境をまたぎワイン畑の中にある。背景はジュラ山脈。 2 LHC計画 Large Hadron Collider(大型ハドロン衝突型加速器） 目的 ・質量の起源のﾋｯｸﾞｽ粒子や超対称性粒子などの新粒子を 発見し、物質の究極の内部構造を探索する｡ LHC加速器 ・7兆電子ﾎﾞﾙﾄ（7 TeV）の陽子同士を衝突させる。 ・周長27kmの地下トンネル内に設置される。 ・8.33ﾃｽﾗの超伝導双極電磁石1,232台などからなる。 ・総重量35,000トン, 液体He130トン, 液体N2 10,000トン。 ・総建設費は約5,000億円、建設期間は13年。 国際協力 ・CERN加盟国に日・米・露・カナダ・インドなどが協力。 ・日本は計138.5億円の加速器建設協力を行っている。 ・KEKはLHC衝突点の超伝導4極電磁石を開発製造した。 円形の赤線が27kmの地下LHC加速器ﾄﾝﾈﾙを示してる。 ４つの実験装置の場所が黄色丸で示してある。 実験装置 ・国際共同実験： アトラスとCMS（ヒッグス・超対称性粒子 の探索）、アリス（重イオン衝突）、LHCb（B物理）。 ・日本からは、KEK・東京大・神戸大など15機関から約60 名の研究者がアトラス実験に参加し、アリス実験には広島 大・東京大・筑波大・理研が参加している。 予定 ・2008年に完成し14 TeVの物理実験を始める。 2007年4月26日 全てのマグネット1700台が地下に設置された。 2007年11月7日 全ての加速器マグネットの接続が完了した。 3 アトラス（ATLAS）実験 シリコン検出器 超伝導ソレノイド ミューオン検出器 ・ 14兆電子ボルト（14 TeV）の重心系エネルギーで 陽子・陽子衝突現象を測定し、ヒッグス粒子の発見 や超対称性粒子の探索を目指す実験。 ・ 高さ：２５ｍ、全長：４４ｍ、重量：７０００トン、総工 費：約600億円、建設期間：13年 ・ 35ヶ国約1600名の研究者(博士以上)が参加。参 加各国は、担当する検出器をそれぞれの国で製作 し、CERNへ持込み、据付・組立・試運転を行う。 ・ 日本グループは、高エネ研(KEK)・東京大・神戸大・ 首都大東京・信州大・岡山大・筑波大・大阪大・名 古屋大など15機関から約60名の研究者が参加し て、装置の建設や解析準備を行ってきている。 アトラス実験装置。高さ２５ｍ,全長４４ｍ,重量７０００トンで世界最大。 ・ 日本はアトラス建設費の７％を負担し、主に ミューオン検出器：トリガーチェンバーと電子回路 シリコン検出器：センサー6千枚, モジュール980台 超伝導ソレノイド：2.6mφx5.3mL, 磁場2テスラ の建設を担当してきた。 ・ 日本のグリッド計算機センター（ティア２レベル）を東 大素粒子物理国際研究センターに設置している。 ・ 2008年夏から物理実験を開始する。 2005年11月 地下実験室で建設中のアトラス実験装置の様子 （超伝導ソレノイド＋中央カロリメターを中心に移動する直前） 4 ミューオントリガーシステム （その１） 概 要 目的： ・ﾋｯｸﾞｽ粒子などから発生する高いエネルギーの オン ミュー ミューオン粒子のみを選び出す。 衝突点 方法： トロイド電磁石 ・超伝導トロイド電磁石で曲げられたミューオン の飛跡を７層のTGCチェンバーで測る。 ・飛跡の角度を計算し、曲がりの少ない飛跡のみ アトラス測定器の断面図。赤丸中のTGCシステム（紫 色）を日本・イスラエル・中国が担当した。 を選択してトリガー信号を出す。 構成： ・TGC型ワイヤーチェンバー： 3588台 ・信号数： 331,776 チャンネル ・チェンバー総面積： 2000 m2 建設分担： ・日本・イスラエル・中国の３カ国とCERNによる 共同作業 アトラス地下実験場で建設中のミューオントリ ガーシステム（ビッグホイールと呼ぶ） 5 ミューオントリガーシステム（その２） トリガーチェンバーの製造 ・ 1997年よりチェンバーの試作とビームテストを行い 製作の方法を開発した。最初は失敗の連続であった。 ・ ＫＥＫの富士実験室でチェンバーの量産を行うために、 カーボン塗布装置・接着準備室・ワイヤー自動巻き 機・純水洗浄機・チェンバー接着設備など多くの装置 を作った。 TGCチェンバーには約千本の細いワイヤーがハンダ付けされる。 ・ 2001年より2005月2月までに３種類のチェンバーで 合計1224台を完成した。 ・ 1日に２台のチェンバー生産スピードが達成された。 ・ 1.5m大のチェンバーの平面性を200ミクロン以内に 抑えるとか、閉じる前に１日以上高電圧をかけて検 査するなど、工程毎に多くの検査を入れて徹底した 品質管理が成功した。 参照：http://www.kek.jp/newskek/2005/mayjun/25ns.html KEKでは1200枚のTGCチェンバーが４年間で製作された。 6 ミューオントリガーシステム（その３） トリガーチェンバーの検査 ・ ＫＥＫで製造されたチェンバーは、全てトラックで 神戸大学に運搬された。 ・ 宇宙線検査ステーションを使って、各々のチェン バーのガスリークのチェックや効率測定などの検 査を行った。 ・ チェンバー毎に宇宙線の検出効率の地図を作り 不具合な部分がないかチェックした。 神戸大学での宇宙線検査ステーションと宇宙線イベント図 ・ 検査は４年間の間、大学院生により殆ど毎日続 いて行われた。 ・ 98%のチェンバーが性能検査に合格した。 ・ 合格したチェンバーは、空調付コンテナにパック され、神戸港よりインド洋経由でCERNに海上・ 陸上輸送された。 T7型チェンバーの効率地図。白い部分が100%の効率を示す。 7 ミューオントリガーシステム（その４） 電子回路の設計と製作 ・ トリガーチェンバーからの約３３万チャンネルの信号 を処理する電子回路システムは、日本グループが 設計から製作まで担当した。 ・ 回路の基本要素は５種類の集積回路チップである。 チェンバーにつく ASD回路ボード ５種類の集積回路を設計・製造した （外注ではコストが高すぎるため）研究者と大学院 生が全てそれらのチップを設計した。最も複雑な チップには完成まで４年もかかった。 ・ TGCチェンバーに付けられるアンプ・シェーパー・デス クリ（ASD）回路ボード24,000枚は日本で作られ、 中国で検査された。 ・ 30種類の回路ボードが日本で設計・製作・検査さ れ、順次CERNに輸送された。 ・ 配線用のケーブルや据付ボックスなども日本で調達 しCERNに送られた。 写真は、CERNでのセクター組立現場で日本のアトラスグルー プ研究者が文部科学省などからの見学者に説明しているとこ ろ。茶色の板状の箱がTGCチェンバー。一列に並んだ白い箱の 中に電子回路ボードが詰まっている。 8 ミューオントリガーシステム（その５） ＣＥＲＮ地上での組み立て作業 ・ 日本とイスラエルから輸送されたTGCチェン バーなどは、検査（および修理）を経て、鉄フ レームからなるセクターに設置された。 ・ 2005年5月～2007年8月の間に計72台の セクターが組み上げられ、 TGCチェンバーと回 CERNの地上でセクターの組立・検査作業が２年以上続いた。 路の据付や配線・配管が行われた。 ・ 完成したセクターはシステム検査がなされ、正 しく動作している確認された。 ・ 完成したセクターは順次地下実験場に運ばれ、 ビッグホイールに組み上げられた。 完成したセクターは次々と地下実験室へ運ばれた。 9 ミューオントリガーシステム（その６） アトラス実験への組込作業 ・ アトラス地下実験室に運ばれたセクターは、ビッ グホイールに組み上げられた。 ・ 2007年9月21日に全てのビッグホイールが完 成した記念祝賀会が現場で開かれた（右写真）。 ・ TGCシステムの一部の動作テストが始まり、宇 宙線も観測された。2008年春の運転開始を目 指し、現場で昼夜準備作業が進んでいる。 地上のコントロール室で試運転するアトラスメンバー。日 本の研究者がTGCシステムの運転を制御している様子。 2007年9月21日 全てのビッグホイール（８台）の組立が完成した。 10 ＬＨＣ計画の目的 ・ 物質は、クォークとレプトンそれぞれ６種類の粒子 から成り立っている。 ・ ４つの力のうち、強い力・電磁力・弱い力の３つの 相互作用を扱った標準モデル（標準模型）が非常 に高い精度で自然を記述する。 ・ 標準モデルによれば、粒子の質量の起源を説明 するために、宇宙はヒッグス場の海で満たされて なければならない。ヒッグス粒子が最低１種類存 在するはずだが、まだ発見されていない。 物質の質量の起源で あるヒッグス場に伴 うヒッグス粒子のみ が未発見 ・ ヒッグス粒子はLHC加速器が到達するエネルギー 領域に存在すると予言され、LHC運転開始後２， ３年で殆ど確実に発見される。 ・ さらに、宇宙の大半を占める暗黒物質の候補で もある超対称性粒子など新しい物理が発見され る可能性が高い。 アトラス日本広報ページ http://atlas.kek.jp/public/index.html ヒッグス粒子発生のシミュレーション 11 アトラス日本グループの関連ページ ・ 12