国際リニアコライダー

国際リニアコライダー（ILC ）は、提案されている線形粒子加速器です。^[1]当初の衝突エネルギーは500 GeVで、後に1000 GeV（1 TeV）にアップグレードする可能性があります。ILCの初期の提案された場所は日本、ヨーロッパ（CERN）、米国（フェルミ国立加速器研究所）でしたが、^{[2] 2013年以来、日本北部の}岩手県の北上高地がILC設計作業の焦点となっています。^[3] ILCの検出器の研究コーディネーターによると、日本政府は費用の半分を負担する用意があります。[ ^4]

ILCは電子と陽電子を衝突させる。長さは30～50km（19～31マイル）で、現存する最長の線形粒子加速器である50GeVスタンフォード線形加速器の10倍以上となる。この提案は、欧州、米国、日本からの過去の同様の提案に基づいている。

段階的なアプローチでは、ILCは当初250 GeVで建設され、ヒッグスファクトリーとして使用される可能性があります。^[5] このような設計では、長さは約20 kmになります。

代替プロジェクトであるコンパクトリニアコライダー（CLIC）の研究も進行中で、これはILCと同等の長さの装置でより高いエネルギー（最大3 TeV）で動作することになる。これら2つのプロジェクト、CLICとILCは、リニアコライダーコラボレーションの下に統合されている。^[6]

背景: リニアックとシンクロトロン

加速器には 2 つの基本的な形状があります。線形加速器 (「リニアック」) は、素粒子を直線経路に沿って加速します。円形加速器 (「シンクロトロン」) には、テバトロン、LEP、大型ハドロン衝突型加速器(LHC) などがあり、円形経路を使用します。円形形状は、数十GeVまでのエネルギーで大きな利点があります。円形設計では、粒子をより長い距離にわたって効果的に加速できます。また、衝突経路に運ばれた粒子のうち実際に衝突するのはほんの一部です。線形加速器では、残りの粒子は失われますが、リング加速器では、残りの粒子は循環し続け、将来の衝突に利用できます。円形加速器の欠点は、曲がった経路に沿って移動する荷電粒子が、シンクロトロン放射と呼ばれる電磁放射を必然的に放出することです。シンクロトロン放射によるエネルギー損失は、問題の粒子の質量の 4 乗に反比例します。だからこそ、陽子や鉛原子核用のLHCのようなハドロン衝突型加速器など、重い粒子用の円形加速器を建設することは理にかなっている。同じサイズの電子陽電子衝突型加速器では、同じ衝突エネルギーを達成することは決してできないだろう。実際、現在LHCに引き継がれているトンネルをかつて占めていたLEPのエネルギーは、シンクロトロン放射によるエネルギー損失によって209 GeVに制限されていた。

LHCでの名目上の衝突エネルギーはILCの衝突エネルギー（ LHCでは14,000 GeV ^[7]、 ILCでは約500 GeV）よりも高くなりますが、測定はILCでより正確に行うことができます。電子と陽電子の衝突は、エネルギーがバリオン粒子を構成するクォーク、反クォーク、グルーオンに分配される衝突よりも分析がはるかに簡単です。そのため、ILCの役割の1つは、LHCで発見された粒子の特性の精密測定を行うことです。

ILCの物理と検出器

提案されているILCでの実験により、現在の標準モデルで説明されているものを超える物理学的効果が検出されることが広く期待されています。 ^[8]さらに、標準モデルで説明されている粒子と相互作用が発見され、測定されることが期待されています。ILCでは、物理学者は次のことができることを期待しています。

ヒッグス粒子の質量、スピン、相互作用の強さを測定する
存在する場合、 TeVスケールの余剰次元の数、サイズ、形状を測定する
暗黒物質の候補となる可能性のある最も軽い超対称粒子を調査する

これらの目標を達成するには、新世代の粒子検出器が必要です。

地域提案を世界規模のプロジェクトに統合

2004年8月、国際技術勧告委員会（ITRP）は加速器に超伝導高周波技術を推奨した^[9]。この決定を受けて、3つの既存のリニアコライダー計画、すなわち次世代リニアコライダー（NLC）、グローバルリニアコライダー（GLC）、テラ電子ボルトエネルギー超伝導リニアアクセラレーター（TESLA）が1つの計画（ILC）に統合された。2005年3月、国際将来加速器委員会（ICFA）は、 1997年から2005年までカリフォルニア工科大学のLIGO研究所所長を務めたバリー・バリッシュ教授をグローバル設計活動（GDE）の責任者に任命した。2007年8月、ILCの基準設計報告書が発表された^{[10] 。GDEに取り組んでいる}物理学者たちは、詳細なILC設計報告書を完成させ、2013年6月に発表した^{[6] 。}

デザイン

ILC の電子源は、2 ナノ秒のレーザー光パルスを使用して光電陰極から電子を放出します。この技術により、最大 80% の電子を偏極させることができます。その後、電子は 370 メートルの線形加速器ステージで 5 GeV まで加速されます。高エネルギー電子からのシンクロトロン放射により、チタン合金ターゲット上に電子と陽電子のペアが生成され、偏極率は最大 60% になります。これらの衝突で発生した陽電子は収集され、別の線形加速器で 5 GeV まで加速されます。

5 GeV の電子および陽電子の束を衝突に有効な大きさに圧縮するため、それらは 0.1～0.2 秒間、円周 3.24 km の一対の減衰リング内で循環し、長さ 6 mm、垂直エミッタンス2 pm、水平エミッタンス 0.6 nm に縮小されます。

減衰リングから粒子束は、それぞれ長さ 11 km の超伝導高周波主線形加速器に送られ、そこで 250 GeV まで加速されます。このエネルギーでは、各ビームの平均出力は約 5.3メガワットになります。1 秒あたり 5 本の束列が生成され、加速されます。

加速後、妥当な時間枠で結果を出すのに十分な輝度を維持するために、粒子束は高さ数ナノメートル、幅数百ナノメートルに集束されます。集束された粒子束は、2つの大型粒子検出器の1つ内で衝突します。

主線形加速器で使用されるニオブベースの1.3GHz 9セル超伝導高周波空洞^[11]
ニオブ超伝導高周波空洞の内部
フェルミ国立加速器研究所で試験中のクライオモジュール
クライオモジュールの断面図。中央の大きな管はヘリウムガス戻り管です。その下の閉じた管はビーム軸です。
クライオモジュールのフランジは、計装用のワイヤとケーブルを接続するために使用されます。

提案されたサイト

もともと、国際リニアコライダーの建設地として、ヨーロッパの既存の高エネルギー物理学センターの3カ所が有力候補だった。^{[12]ジュネーブの}CERNでは、トンネルは不浸透性の岩盤の地下深くに位置している。この場所はいくつかの実用的な理由から好ましい場所と考えられていたが、LHCがあるために好ましくなかった。ハンブルクのDESYでは、トンネルは地表近くで水で飽和した土の中にある。ドイツは科学研究資金でヨーロッパをリードしており、そのため資金面で信頼できると考えられていた。ドゥブナのJINRでは、トンネルは地表近くで不浸透性の土の中にある。ドゥブナには加速器前施設があり、ILCのニーズに合わせて簡単に改造できたはずである。しかし、3カ所ともリニアコライダーを収容するのに多かれ少なかれ適しており、ヨーロッパでは場所選びのプロセスで十分な選択肢があった。^[^要出典^]

ヨーロッパ以外では、多くの国が関心を示した。日本はT2K実験などのニュートリノ研究に多額の資金提供を受けており、これは日本にとって不利な要因である。ただし、日本にはすでに水力発電所用のアクセストンネルを備えた巨大な洞窟が20個建設されている（例：神流川水力発電所）。テバトロンの閉鎖後、米国内のいくつかのグループが関心を示しており、フェルミ国立加速器研究所は既に施設と専門家が揃っているため、有力候補地だった。他の国からの関心の憶測の多くは科学界からの伝聞であり、公式に発表された事実はごくわずかだった。上記の情報は、CERNで開催された2010年国際リニアコライダーワークショップ（ECFA-CLIC-ILC合同会議）で取り上げられた内容の要約である。^[13]

2008年の経済危機により、米国と英国は国際リニアコライダー計画への資金を削減し、^[14]日本が国際リニアコライダーの最有力候補となった。^[15] 2013年8月23日、日本の高エネルギー物理学コミュニティの立地評価委員会は、岩手県と宮城県の北上山地に建設することを提案した。^[16] 2019年3月7日現在、日本政府は、提案費用が約70億ドルと高額であるため、国際リニアコライダーの建設を支援する準備ができていないことを表明している。この決定は、日本学術会議の意見も一部反映したものである。日本政府は、このプロジェクトの資金調達を支援するために他国に資金援助を求めた。^[17]

2022年、日本のILC計画は文部科学省（MEXT）の専門委員会によって「棚上げ」された^[18] 。国際的な支援が不十分になる可能性があることや、ILCと物理学の目標が重複しているCERNの将来円形衝突型加速器（Future Circular Collider）の提案など、いくつかの理由が挙げられた。

2024年3月、「ILC推進議員連盟」が「ILC計画の進捗状況と関係団体の取り組みに関する報告」を受けるために会合を開いた。^[19]国会議員や政府機関、研究者、企業など50人がプロジェクトの進捗状況の報告を受け、ILCの将来について議論した。^[19]会合では3つの提言がなされた。

1. ILCプロジェクトは、研究者、産業界、候補地推進団体、関係省庁、国会議員、その他政治団体が一体となってオールジャパンの枠組みで推進される。
2. ILC計画については、ICFAの下に設置された国際推進組織であるILC国際開発チーム（IDT）と国内研究者コミュニティとの緊密な連携により、研究者コミュニティを巻き込んだ地球規模の取り組みとして国際連携を一層強化します。
3. 文部科学省は、グローバル加速器プログラムの実現に向けて、国際研究コミュニティとの連携に積極的な役割を果たすべきである。この連携は、内閣府やその他の関係省庁と連携し、将来高性能加速器に関する連絡会議の枠組みを活用するべきである。
—ILC 推進議員連盟、国際リニアコライダー計画の推進に関する提言^[20]

料金

参照設計報告書では、研究開発、試作、土地取得、地下地役権費用、検出器、予備費、インフレを除いたILC建設費用を67億5,000万ドル^[21]（2007年価格）と見積もっている。正式なプロジェクト承認から加速器施設と検出器の完成には7年かかると見込まれている。ホスト国は、トンネルやシャフトの掘削、水や電気の供給など、サイト固有の費用として18億ドルを支払う必要がある。

元米国エネルギー長官スティーブン・チューは総費用を250億ドルと見積もった。ILC所長のバリッシュ氏は、これはおそらく過大評価であると述べた。他のエネルギー省当局者は総額200億ドルと見積もっている。^[22] 2013年のILC設計報告書の完成後、バリッシュ氏はILC建設費用は2012年の米ドルで77億8000万ドルに相当すると述べた。「2260万時間の労働時間と、敷地準備、科学検出器、施設運営を含む場所固有の費用」が必要になるだろう。^[23]

注記

^ 「国際リニアコライダー - 量子宇宙への入り口」 ILCコミュニティ。2007年10月18日。2009年3月2日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2009年5月21日閲覧。
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外部リンク

ウィキメディア・コモンズの国際リニアコライダー関連メディア
国際リニアコライダーウェブサイト
ILCニュースライン
2分でわかるILC（ビデオ、2:07）
がんばれ！東北ビッグバン。～国際リニアコライダー（ILC）の実現に向けて～（動画、21:31）
カール・ヴァン・ビバー氏によるNLCについて
シンメトリー誌：
- 2005年8月号特集
- 「型破りなILCの設計」、2006年3月
ニューヨークタイムズの記事
サイエンス誌の記事
Scientific American の記事プレビュー
1600 国際リニアコライダーの記事
arXiv:
- 国際リニアコライダー技術設計報告書 - 第 1 巻: 概要
- 国際リニアコライダー技術設計報告書 - 第 2 巻: 物理学
- 国際リニアコライダー技術設計報告書 - 第 3 巻 I: 技術設計段階における加速器研究開発
- 国際リニアコライダー技術設計報告書 - 第3巻II: 加速器の基本設計
- 国際リニアコライダー技術設計報告書 - 第 4 巻: 検出器

[1] 「国際リニアコライダー - 量子宇宙への入り口」 ILCコミュニティ。2007年10月18日。2009年3月2日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2009年5月21日閲覧。

[2] ハミッシュ・ジョンストン。「国際リニアコライダーはどこに建設されるべきか?」physicsworld.com 。 2012年8月2日閲覧。

[3] 「ILC - プロジェクトの現状」www.linearcollider.org。2016年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年12月14日閲覧。

[4] 「フランソワ・リシャール氏、新型粒子加速器ILCは2026年までに完成しないだろうと語る（スペイン語）」2012年6月11日。2012年7月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月2日閲覧。

[5] リスト、ジェニー（2021年1月28日）。「ILC：ヒッグスを超えて」。CERNクーリエ。 2022年4月26日閲覧。

[:0-6] 「LCC - Linear Collider Collaboration」。www.linearcollider.org 。 2016年12月14日閲覧。

[7] 実際の衝突は陽子の構成要素であるクォーク、反クォーク、グルーオンの間で起こるため、衝突の有効エネルギーは14,000 GeVより低いが、それでも500 GeVよりは高い。そのため、LHCでの典型的な衝突は、ILCでの典型的な衝突よりもエネルギーが高くなります。

[8] G. Aarons; et al. (2007)、国際リニアコライダー参考設計報告書第2巻：ILCの物理学（PDF）、arXiv：0709.1893、Bibcode：2007arXiv0709.1893D

[9] 「最終国際技術勧告パネル報告書」（PDF）。ICFA（国際将来加速器委員会） 2004年。2012年11月19日閲覧。

[10] 「ILC リファレンス設計レポート」。ILCグローバル設計活動と世界規模の研究。2007 年 8 月。2008 年 12 月 18 日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2009年 5 月 21 日閲覧。

[11] 国際リニアコライダー技術設計報告書2013年。国際リニアコライダー。2013年。 2015年8月14日閲覧。

[12] Wilhelm Bialowons、John Andrew Osborne、Grigori Shirkov (2010 年 3 月 31 日)。「欧州の ILC サイトの立地調査」(PDF)。ILC-HiGrade-Report-2010-004-1。

[13] 「International Workshop on Linear Colliders 2010」. 2010年10月22日.

[14] ハンド、エリック、ブルムフィール、ジェフ（2008年1月9日）。「米国と英国の削減後、加速器計画は停滞」。ネイチャー。451 （ 7175 ）： 112–113。Bibcode ：2008Natur.451..112H。doi ： 10.1038 /451112a。PMID 18185548。

[15] Brumfiel, Geoff (2012年12月14日). 「日本は粒子加速器のホスト国として最有力」. Nature . doi :10.1038/nature.2012.12047. S2CID 124158663.

[jsite-16] Kelen Tuttle、Kathryn Jepsen (2013年8月23日)。「日本がリニアコライダーの候補地を選択」Symmetry Magazine、フェルミ国立加速器研究所。 2013年8月23日閲覧。

[17] ガリスト、ダニエル。「日本、次世代大型粒子加速器の受け入れ決定を延期」。サイエンティフィック・アメリカン。 2019年3月14日閲覧。

[iop2022-18] マイケル・バンクス（2022年3月1日）。「パネルは物理学者に、日本が国際リニアコライダーを主催するという考えを『棚上げ』するよう求める」。Physics World、IOP Publishing。

[:1-19] 高橋里佳. 「国会議員連盟、日本でのILC推進を決議 | ILCニュースライン」 . 2024年10月24日閲覧。

[20] 「国際リニアコライダー計画の推進に関する勧告」（PDF）。2024年3月21日。

[21] Overbye, Dennis (2007-02-08). 「物理学における次なる大物の価格: 67 億ドル」. NYTimes . 2010-05-05閲覧。

[22] 「チュー氏、ILCのコストを250億ドルと見積もる」。ScienceInsider。2009年。2010年1月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[23] Tuttle, Ken (2013-02-22). 「リニアコライダー計画が前進」. symmetry magazine . 2017年3月8日閲覧。