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 LHC複合施設のレイアウト | |
| 一般的なプロパティ | |
|---|---|
| アクセラレータタイプ | シンクロトロン |
| ビームタイプ | 陽子、重イオン |
| ターゲットタイプ | コライダー |
| 梁の特性 | |
| 最大エネルギー | ビームあたり6.8 TeV（衝突エネルギー13.6 TeV） |
| 最大輝度 | 1 × 10 34 /(cm 2 ⋅s) |
| 物理的特性 | |
| 周 | 26,659メートル （16.565マイル） |
| 位置 | スイスのジュネーブ近郊、フランスとスイスの国境を越えたところ。 |
| 座標 | 北緯46°14′06″ 東経06°02′42″ / 北緯46.23500° 東経6.04500° / 46.23500; 6.04500 |
| 機関 | CERN |
| 運行日 | 2010年– 現在 |
| 先行 | 大型電子陽電子衝突型加速器 |
LHC実験と前段階の加速器の計画。 | |
| LHC実験 | |
|---|---|
| アトラス | トロイダルLHC装置 |
| コンテンツ管理システム | コンパクトミューオンソレノイド |
| LHCb | LHC-ビューティー |
| アリス | 大型イオン衝突型加速器実験 |
| トーテム | 全断面積、弾性散乱および回折解離 |
| LHCf | LHC フォワード |
| モエダル | LHC のモノポールおよびエキゾチック検出器 |
| ファサー | 前方検索実験 |
| SND | 散乱およびニュートリノ検出器 |
| LHC前駆加速器 | |
| pとPb | 陽子（Linac 4）および鉛（Linac 3）用の線形加速器 |
| （マークなし） | 陽子シンクロトロンブースター |
| 追伸 | 陽子シンクロトロン |
| スペクトラム | スーパープロトンシンクロトロン |
 | |
| 現在の粒子および核施設 | |
|---|---|
| LHC | 陽子と重イオンを加速する |
| レイル | イオンを加速する |
| スペクトラム | 陽子とイオンを加速する |
| プレス | 陽子を加速する |
| 追伸 | 陽子またはイオンを加速する |
| リニアック3 | LEIRに重イオンを注入する |
| リナック4 | イオンを加速する |
| 広告 | 反陽子を減速する |
| エレナ | 反陽子を減速する |
| イゾルデ | 放射性イオンビームを生成する |
| メディシス | 医療目的の同位元素を生産する |
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、世界最大かつ最高エネルギーの粒子加速器です。[1] [2] 1998年から2008年にかけて、欧州原子核研究機構（CERN）が100か国以上の1万人以上の科学者、数百の大学や研究所と協力して建設しました。 [3] LHCは、ジュネーブ近郊のフランスとスイスの国境の地下175メートル（574フィート）の周囲27キロメートル（17マイル）のトンネル内にあります。
最初の衝突は2010年にビームあたり3.5テラ電子ボルト（TeV）のエネルギーで達成され 、これは以前の世界記録の約4倍でした。 [4] [5] LHCでのヒッグス粒子の発見は2012年に発表されました。2013年から2015年にかけて、LHCはシャットダウンされ、アップグレードされました。これらのアップグレード後、ビームあたり6.5 TeV（衝突総エネルギー13.0 TeV）に達しました。[6] [7] [8] [9] 2018年末、メンテナンスとさらなるアップグレードのためにシャットダウンされ、3年以上後の2022年4月に再開されました。[10]
加速器には加速された粒子が衝突する4つの交差点があります。交差点の周囲には、それぞれ異なる現象を検出するように設計された9つの検出器[11]が配置されています。LHCは主に陽子ビームを衝突させますが、鉛-鉛衝突や陽子-鉛衝突など、重イオンビームを加速することもできます。[12]
LHCの目標は、ヒッグス粒子の特性測定[13]、超対称性理論によって予測される新しい粒子の大規模なファミリーの探索[14]、および素粒子物理学におけるその他の未解決の問題の研究を含む、さまざまな素粒子物理学の理論の予測を物理学者がテストできるようにすることです。
背景
ハドロンという用語は、強い力によって結合したクォークで構成された亜原子 複合粒子を指します（原子と分子が電磁力によって結合しているのと類似しています）。[15]最もよく知られているハドロンには、陽子や中性子などの重粒子があります。ハドロンには、1940年代後半から1950年代初頭の宇宙線実験で発見されたパイ中間子やカ中間子などの中間子も含まれます。[16]
衝突型加速器は、 2つの反対の粒子ビームを一緒にして粒子を衝突させる粒子加速器の一種です。粒子物理学では、衝突型加速器は構築が難しいものの、固定ターゲット設定よりもはるかに高い質量中心エネルギーに達するため、強力な研究ツールです。 [1]これらの衝突の副産物を分析すると、科学者は亜原子世界の構造とそれを支配する自然法則に関する優れた証拠を得ることができます。これらの副産物の多くは、高エネルギー衝突によってのみ生成され、非常に短い期間で崩壊します。そのため、それらの多くは他の方法で研究するのが困難またはほぼ不可能です。[17]
目的
多くの物理学者は、大型ハドロン衝突型加速器が、素粒子間の相互作用と力を支配する基本法則、空間と時間の深層構造、特に量子力学と一般相対性理論の相互関係に関する物理学の基本的な未解決の問題のいくつかに答えるのに役立つことを期待しています。[18]
これらの高エネルギー粒子実験は、さまざまな科学モデルを裏付けるデータを提供することができます。たとえば、標準モデルとヒッグスレスモデルは、その予測を検証し、さらなる理論の発展を可能にするために、高エネルギー粒子実験データを必要としました。標準モデルは、2012年にLHCによるヒッグス粒子の検出によって完成しました。[19]
LHC衝突実験では、次のような他の疑問も検討された。[20] [21]
- 標準モデルとポアンカレ対称性の拡張における超対称性の一部として、既知の粒子はすべて超対称パートナーを持っているのでしょうか？[22] [23] [24]
- 弦理論に基づく様々なモデルによって予測されているように、余分な次元[25]は存在するのでしょうか？そしてそれを検出することはできるのでしょうか？[26]
- 宇宙の質量エネルギーの 27% を占めると思われる仮説上の物質である暗黒物質の性質とは何でしょうか?
高エネルギー粒子衝突を利用して探求できるその他の未解決の問題には、次のものがあります。
- 電磁力と弱い核力は、電弱力と呼ばれる単一の力の異なる現れであることはすでに知られています。LHC は、さまざまな大統一理論で予測されているように、電弱力と強い核力が同様に 1 つの普遍的な統一力の異なる現れであるかどうかを明らかにする可能性があります。
- 4 番目の基本的な力 (重力) が他の 3 つの基本的な力よりも桁違いに弱いのはなぜでしょうか。階層問題も参照してください。
- 標準モデル内にすでに存在するもの以外に、クォーク フレーバー混合の追加のソースはありますか?
- 物質と反物質の間にはなぜ対称性の明らかな破れがあるのでしょうか? CP 対称性の破れも参照してください。
- 初期宇宙や今日のコンパクトで奇妙な天体に存在したと考えられているクォーク・グルーオン・プラズマの性質と特性とはどのようなものでしょうか。これは主にALICEで、またCMS、ATLAS、LHCbでも重イオン衝突によって調査される予定です。2010年に初めて観測され、2012年に発表された研究結果では重イオン衝突におけるジェット消滅の現象が確認されました。 [27] [28] [29]
デザイン
衝突型加速器は、地下50～175メートル（164～574フィート）の深さにある、周囲26.7キロメートル（16.6マイル）の円形トンネル内に設置されている。深さの差は、ジュラ山脈の地下にあるトンネルの長さを減らし、そこに垂直のアクセスシャフトを掘削しなくて済むように意図的なものである。トンネルが選ばれたのは、地表に高価な土地を購入する必要がないようにするためと、地殻が提供する背景放射線に対する遮蔽を利用するためである。[30]
1983年から1988年にかけて建設された幅3.8メートル（12フィート）のコンクリート張りのトンネルは、かつては大型電子陽電子衝突型加速器（LEC）の収容に使用されていました。[31]トンネルはスイスとフランスの国境を4か所で横断していますが、そのほとんどはフランス国内にあります。地上の建物には、コンプレッサー、換気装置、制御電子機器、冷凍装置などの補助装置が設置されています。
衝突型加速器のトンネルには、それぞれがビームを含む2 つの隣接する平行なビームライン(またはビームパイプ) があり、ビームはリングの周りを反対方向に進みます。ビームはリングの周りの 4 点で交差し、そこで粒子の衝突が起こります。約 1,232 個の双極子磁石がビームを円形の経路上に維持し (図[32]を参照)、さらに 392 個の四極子磁石がビームの焦点を保っています。交差点の近くにはより強力な四極子磁石を配置して、2 つのビームが交差する場所での相互作用の可能性を最大化しています。より高次の多極子磁石は、磁場の幾何学的形状のより小さな欠陥を修正するために使用されます。合計で約 10,000 個の超伝導磁石が設置されており、双極子磁石の質量は 27 トンを超えます。[33]銅被覆ニオブチタン製の磁石を1.9 K（-271.25 °C）の動作温度に保つには約96トンの超流動ヘリウム4が必要であり、 LHCは液体ヘリウム温度で世界最大の極低温施設となっている。LHCは470トンのNb-Ti超伝導体を使用している。 [34]
LHCの運転中、CERNサイトは フランスの電力網から約200MWの電力を消費します。これは比較するとジュネーブ市のエネルギー消費量の約3分の1に相当します。LHCの加速器と検出器は約120MWを消費します。[35]運転中は1日あたり140テラバイトのデータが生成されます。[36]
陽子1個あたり6.5 TeVのエネルギーで[37] 1日に1～2回運転すると、陽子は450 GeVから6.5 TeVに加速され、超伝導双極子磁石の磁場は0.54テスラ（T）から7.7テスラ（T）に増加します。陽子はそれぞれ6.5 TeVのエネルギーを持ち、衝突エネルギーの合計は13 TeVになります。このエネルギーでは、陽子のローレンツ因子は約6,930で、約0.999 999 990 cで移動します。これは光速（c ）よりも約3.1 m/s（11 km/h）遅い速度です。陽子がメインリングの周りを26.7 km移動するのにかかる時間は90マイクロ秒（μs）未満です。その結果、主リング内の粒子が低エネルギーであるか高エネルギーであるかにかかわらず、陽子は1秒間に11,245回転することになる。これは、これらのエネルギー間の速度差が5桁を超えるためである。[38]
連続ビームではなく、陽子は最大2,808のバンチに束ねられ、各バンチには1150億個の陽子が含まれるため、2つのビーム間の相互作用は主に25ナノ秒（ns）間隔で離散的に発生し、バンチ衝突率は40MHzになります。最初の数年間は、より少ないバンチで運用されていました。LHCの設計輝度は10 34 cm −2 s −1で、[39] 2016年6月に初めて達成されました。[40] 2017年までに、この値の2倍が達成されました。[41]
主加速器に注入される前に、粒子は一連のシステムによって準備され、エネルギーを順次増加させます。最初のシステムは線形粒子加速器 Linac4で、160 MeV の水素負イオン (H −イオン) を生成し、陽子シンクロトロンブースター(PSB) に供給します。そこで、両方の電子が水素イオンから剥がされ、1 つの陽子を含む原子核だけが残ります。次に陽子は 2 GeV まで加速され、陽子シンクロトロン(PS) に注入され、26 GeV まで加速されます。最後に、スーパー陽子シンクロトロン(SPS) を使用して、陽子のエネルギーをさらに 450 GeV まで増加させてから、最終的に (数分かけて) 主リングに注入されます。ここで、陽子の束が蓄積され、ピークエネルギーまで( 20 分かけて) 加速され、最終的に 5 ～ 24 時間循環し、4 つの交差点で衝突が発生します。[42]
LHC 物理プログラムは主に陽子-陽子衝突に基づいています。しかし、より短い実行期間、通常は 1 年に 1 か月の間、重イオン衝突もプログラムに含まれています。より軽いイオンも考慮されますが、ベースライン スキームは鉛イオンを扱っています[43] ( 「大型イオン衝突型加速器実験」を参照)。鉛イオンは最初に線形加速器LINAC 3によって加速され、低エネルギーイオン リング(LEIR) がイオンの貯蔵および冷却ユニットとして使用されます。その後、イオンは PS と SPS によってさらに加速されてから LHC リングに注入され、そこで核子あたり 2.3 TeV (またはイオンあたり 522 TeV)のエネルギーに達します [ 44] 。これは相対論的重イオン衝突型加速器で達するエネルギーよりも高いものです。重イオン プログラムの目的は、初期宇宙に存在したクォーク-グルーオン プラズマを調査することです。[45]
検出器
LHCの交差点に掘られた大きな洞窟には、9つの検出器が建設されている。そのうちの2つ、ATLAS実験とコンパクトミューオンソレノイド（CMS）は、大型の汎用粒子検出器である。[2] ALICEとLHCbはより専門的な役割を持ち、他の5つ、TOTEM、MoEDAL、LHCf、SND、FASERははるかに小さく、非常に専門的な研究のためのものである。ATLAS実験とCMS実験はヒッグス粒子を発見したが、これは標準モデルが素粒子に質量を与える正しいメカニズムを持っていることの強力な証拠である。[46]
コンピューティングおよび分析設備
LHCによって生成されるデータとLHC関連のシミュレーションは、年間200ペタバイトと推定されている。 [47]
LHCコンピューティンググリッド[48]は、LHCの設計の一環として、衝突で予想される膨大な量のデータを処理するために構築されました。これは、当初35か国140のコンピューティングセンター（2012年現在、40か国以上170を超える）を接続するグリッドベースのコンピュータネットワークインフラ[アップデート]ストラクチャで構成される国際協力プロジェクトです。これは、LHC実験で生成される膨大な量のデータを処理するためにCERNによって設計され、 [49]プライベート光ファイバーケーブルリンクと既存の高速パブリックインターネットの両方を組み込んで、CERNから世界中の学術機関へのデータ転送を可能にしました。LHCコンピューティンググリッドは、ヨーロッパ、アジア太平洋、南北アメリカにまたがるグローバルな連合で構成されています。[47]
分散コンピューティングプロジェクトLHC@home は、 LHC の建設と調整をサポートするために開始されました。このプロジェクトではBOINCプラットフォームが使用され、インターネット接続とMac OS X、Windows 、またはLinux が稼働するコンピューターがあれば、コンピューターのアイドル時間を利用して、粒子がビーム パイプ内をどのように移動するかをシミュレートできます。この情報を使用して、科学者はリング内でビームの最も安定した「軌道」を得るために磁石をどのように調整する必要があるかを判断できます。[50] 2011 年 8 月には、2 番目のアプリケーション (Test4Theory) が稼働し、実際のテスト データと比較するシミュレーションを実行して結果の信頼レベルを決定しました。
2012年までに、6000兆以上の（6 × 10 15）LHC陽子-陽子衝突が解析された。[51] LHCコンピューティンググリッドは2012年に世界最大のコンピューティンググリッドとなり、 40か国以上にまたがる世界規模のネットワークで170以上のコンピューティング施設から構成されている。 [52] [53] [54]
運用履歴
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LHCは2008年9月10日に初めて稼働を開始したが[55] 、磁石の急冷事故により50台以上の超伝導磁石とその取り付け部、真空パイプに大きな損傷が発生したため、初期試験は2008年9月19日から2009年11月20日まで14か月延期された[56] [57] [58] [59]。
最初の稼働中（2010～2013年）に、LHCは最大4 テラ電子ボルト（4 TeVまたは0.64マイクロジュール）の陽子、または鉛の原子核（原子核あたり574 TeV、または核子あたり2.76 TeV ）の2つの反対の粒子ビームを衝突させた。[60] [61] 最初の稼働中の発見には、長年探し求められていたヒッグス粒子、 χ b (3P)ボトモニウム状態などのいくつかの複合粒子（ハドロン） 、クォーク・グルーオン・プラズマの最初の生成、および既存の超対称性モデルの妥当性に挑戦したB s中間子の2つのミューオンへの非常にまれな崩壊（B s 0 → μ + μ −）の最初の観測が含まれていた。[62]
工事
運用上の課題
LHCの大きさは、磁石とビームに蓄えられるエネルギーの量のために、独特の運用上の問題を伴う例外的な技術的課題を構成します。[42] [63]動作中、磁石に蓄えられる総エネルギーは10GJ（TNT火薬2,400キログラム）で、2つのビームによって運ばれる総エネルギーは724MJ（TNT火薬173キログラム）に達します。[64]
ビームのわずか1000万分の1（10 −7 ）の損失でも超伝導磁石をクエンチするのに十分ですが、2つのビームダンプはそれぞれ362 MJ（TNT火薬87キログラム）を吸収する必要があります。これらのエネルギーは、非常に小さな物質によって運ばれます。公称動作条件（ビームあたり2,808バンチ、バンチあたり1.15×10 11陽子）では、ビームパイプには1.0×10 −9グラムの水素が含まれており、温度と圧力の標準条件では、細かい砂1粒の体積に相当します。
料金
75億ユーロ（2010年6月時点で約90億ドルまたは61億9000万ポンド）の予算をかけた[アップデート]LHCは、これまでに建造された科学機器の中で最も高価なものの1つです[1]。[65]プロジェクトの総費用は、加速器に46億スイスフラン（2010年1月時点で約44億ドル、31億ユーロ、28億ポンド[アップデート]）、実験に対するCERNの負担に11億6000万スイスフラン（2010年1月時点で約11億ドル、8億ユーロ、7億ポンド[アップデート]）になると予想されています。[66]
LHCの建設は1995年に26億スイスフランの予算で承認され、実験にさらに2億1千万スイスフランが充てられた。しかし、2001年の主要な見直しで加速器に約4億8千万スイスフラン、実験に5千万スイスフランと見積もられたコスト超過と、CERNの予算削減により、完成日は2005年から2007年4月に延期された。 [67]超伝導磁石はコスト増加の1億8千万スイスフランを占めた。コンパクト・ミューオン・ソレノイドの洞窟を建設中に遭遇した技術的困難によるさらなるコストと遅延もあり、[68]また、磁石支持部の強度設計が不十分で初期テスト（2007年）に失敗したほか、磁石のクエンチと液体ヘリウムの漏れ（初回テスト、2008年）による損傷もあった。[69]夏季は電気代が安いため、LHCは通常冬季には稼働しないが、[70] 2008年の始動遅れを補うため、および2012年に発見された新粒子の測定精度を向上させるため、2009/10年と2012/2013年の冬季には例外的に稼働した。
建設事故と遅延
- 2005年10月25日、技術者のホセ・ペレイラ・ラゲス氏がLHC内で輸送中の配電盤が彼の上に落下し死亡した。[71]
- 2007年3月27日、フェルミ国立加速器研究所とKEKが設計・提供した極低温磁石支持部が、LHCの内部トリプレット（集束四極子）磁石アセンブリの1つを対象とした最初の圧力テスト中に破損した。負傷者はいなかった。フェルミ国立加速器研究所所長のピエール・オドンは「今回のケースでは、非常に単純な力のバランスを見落としていたことに驚いている」と述べた。この欠陥は当初の設計に存在し、その後数年間に行われた4回のエンジニアリングレビューでもそのまま残っていた。[72]分析の結果、断熱性を高めるために可能な限り薄くした設計は、圧力テスト中に発生する力に耐えるほどの強度がなかったことが判明した。詳細はフェルミ国立加速器研究所の声明で確認でき、CERNもこれに同意している。[73] [74]破損した磁石を修理し、LHCで使用される8つの同一アセンブリを補強したため、当初2007年11月に予定されていた稼働開始日が延期された。
- 2008年9月19日、初期試験中に電気接続の不具合により磁石クエンチ（超伝導磁石の超伝導能力が温度上昇や電場の影響で突然失われること）が発生した。磁石を冷却するために使用されていた6トンの過冷却液体ヘリウムが漏れ出し、その勢いで近くの10トンの磁石が台から外れ、真空管にかなりの損傷と汚染を引き起こした。修理と安全チェックのために約14か月の遅延が発生した。[75] [76] [77]
- 2009年7月に2箇所の真空漏れが発見され、操業開始は2009年11月中旬までさらに延期された。[78]
ロシアの除外
2022年のロシアのウクライナ侵攻により、CERNへのロシア人の参加が疑問視された。従業員の約8％がロシア国籍である。2022年6月、CERNは、理事会がベラルーシおよびロシアとの協力協定を、それぞれ2024年6月と12月に期限が切れる際に「終了する予定」であると述べた。CERNは、ウクライナの動向を監視し、必要に応じて追加措置を講じる用意があると述べた。[79] [80] CERNはさらに、2022年のウクライナのCERNへの拠出金を、すでに組織に送金された金額まで削減し、拠出金の2回目の分割払いを免除すると述べた。[81]
初期の低い磁石電流
LHC は、2 回の運転 (2010 年から 2012 年および 2015 年) において、当初は計画された運転エネルギーよりも低いエネルギーで運転され、最初の運転では 2 x 4 TeV エネルギーまで、2 回目の運転では 2 x 6.5 TeV エネルギーまで上昇しました。これは、設計エネルギーの 2 x 7 TeV を下回るものです。これは、巨大な超伝導磁石では、超伝導能力を失うことなく高電流を処理するためにかなりの磁石トレーニングが必要であり、高電流は高い陽子エネルギーを可能にするために必要であるためです。「トレーニング」プロセスでは、磁石を低電流で繰り返し運転して、結果として生じる可能性のあるクエンチや微細な動きを誘発します。また、磁石を約 1.9 K (絶対零度に近い) の運転温度まで冷却するのにも時間がかかります。時間が経つにつれて、磁石は「馴染んで」これらの低電流でクエンチしなくなり、クエンチすることなく設計電流全体を処理できるようになります。 CERNのメディアは、当初計画された電流を処理する能力を損なっていた結晶と位置の避けられない小さな製造上の欠陥を磁石が「取り除いている」と説明しています。磁石は、時間の経過と訓練により、徐々にクエンチすることなく計画された電流全体を処理できるようになります。[82] [83]
初回テスト（2008年）
最初のビームは2008年9月10日の朝に衝突型加速器内を周回した。[84] CERNは段階的に陽子をトンネルの周囲に3キロメートルずつ発射することに成功した。粒子は時計回りに加速器内に発射され、現地時間10時28分に加速器の周囲をうまく誘導した。[55] LHCは主要テストを無事完了した。一連の試運転の後、陽子が衝突型加速器の全長を移動したことを示した2つの白い点がコンピューター画面に点滅した。粒子の流れを最初の周回軌道に誘導するのに1時間もかからなかった。[85] CERNは次に反時計回りに陽子ビームを送ることに成功したが、極低温の問題により1時間半と少し長くかかり、14時59分に全周を完了した。
クエンチ事件
Wikinewsには関連ニュースがあります:
- CERN、LHC粒子加速器の修理に2100万ドルかかると発表
2008年9月19日、セクター3と4の約100個の偏向磁石で磁石クエンチが発生し、電気系統の故障により約6トンの液体ヘリウム（磁石の極低温冷却剤）がトンネル内に漏れた。漏れた蒸気は爆発的な勢いで膨張し、53個の超伝導磁石とその取り付け部を損傷し、真空パイプを汚染して真空状態も失われた。[56] [57] [86]
事故後まもなく、CERNは、問題の原因は2つの磁石間の電気接続不良である可能性が最も高いと報告した。影響を受けたセクターを温め、その後動作温度まで冷却するのに必要な時間のため、修理には少なくとも2か月かかると見積もった。[87] CERNは、2008年10月15日と16日にそれぞれ中間技術報告書[86]と事故の予備分析を発表し、[88] 2008年12月5日に詳細な報告書を発表した。 [76] CERNによる事故の分析により、電気的な欠陥が原因であることが確認された。電気接続の不具合により、超伝導磁石に電力を供給する電気システムのフェイルセーフ電源停止が（正しく）引き起こされたが、同時に電気アーク（または放電）が発生し、過冷却ヘリウムの筐体と真空断熱材の完全性が損なわれ、冷却剤の温度と圧力が安全システムの封じ込め能力を超えて急激に上昇し、[86]影響を受けた磁石のいくつかの温度が約100度上昇した。超伝導磁石に蓄積されたエネルギーと他のクエンチ検出器で誘導された電気ノイズ も、急速な加熱に影響を与えた。検出器が緊急停止をトリガーする前に約2トンの液体ヘリウムが爆発的に漏れ出し、その後さらに4トンが低圧で漏れた。[86]この事故で合計53個の磁石が損傷し、冬季停止中に修理または交換された。[89]この事故については、2010年2月22日のCERN物理学者ルシオ・ロッシによる「超伝導科学技術」誌の記事で詳しく論じられている。[90]
LHCの当初の稼働予定では、 2008年9月末までに900GeVの重心エネルギーでの最初の「適度な」高エネルギー衝突が起こると予想され、LHCは2008年末までに10TeVで稼働する予定だった。[91]しかし、事故による遅延のため、衝突装置は2009年11月まで稼働しなかった。[92]遅延にもかかわらず、LHCは2008年10月21日に、政治指導者、CERN加盟20カ国の科学大臣、CERN関係者、世界中の科学コミュニティのメンバーが出席して正式に開設された。[93]
2009年のほとんどは、クエンチ事故による被害の修理と調査に費やされ、さらに2009年7月に確認された2つの真空漏れにより、運用開始は同年11月に延期されました。[78]
実行 1: 最初の運用実行 (2009 年 - 2013 年)
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2009年11月20日、事故以来初めて低エネルギービームがトンネル内を周回し、その直後の11月30日にはLHCはビーム当たり1.18TeVを達成して世界最高エネルギーの粒子加速器となり、テバトロンが8年間保持していたビーム当たり0.98TeVというこれまでの記録を破った。[95]
2010年の初めには、ビームのエネルギーと初期の物理実験がビームあたり3.5TeVに向けて継続的に増加し、2010年3月30日には、LHCは合計7TeVのエネルギーレベルで陽子ビームを衝突させることで、高エネルギー衝突の新記録を樹立しました。この試みはその日の3回目であり、2回の失敗した試みでは陽子を衝突装置から「捨て」、新しいビームを注入しなければなりませんでした。[96]これはまた、主要な研究プログラムの始まりを示しました。
最初の陽子実験は2010年11月4日に終了しました。鉛イオン実験は2010年11月8日に開始され、2010年12月6日に終了しました。[97]これにより、ALICE実験はビッグバン直後に似た極限条件下での物質の研究が可能になりました。[98]
CERNは当初、LHCを2012年末まで稼働させ、2011年末にビームエネルギーをビームあたり3.5TeVから4TeVに増加させるために短い休止期間を設ける予定だった。[5] 2012年末、LHCはビームエネルギーをビームあたり7TeVにアップグレードするために2015年頃まで一時的に停止する予定だった。[99] 2012年後半、2012年7月のヒッグス粒子の発見を受けて、停止前に追加データを取得できるように、停止は2013年初頭まで数週間延期された。
長期シャットダウン 1 (2013–2015)
LHCは2013年2月13日に2年間のアップグレード、ロングシャットダウン1（LS1）のためにシャットダウンされました。このアップグレードでは、LHCの多くの側面が調整されました。14 TeVでの衝突を可能にし、検出器と前置加速器（陽子シンクロトロンとスーパー陽子シンクロトロン）を強化し、初回運転時の高エネルギー衝突によって損傷した換気システムと100 km（62マイル）のケーブルを交換しました。[101]アップグレードされた衝突型加速器は、2014年6月に長い起動とテストのプロセスを開始し、陽子シンクロトロンブースターは2014年6月2日に開始し、磁石間の最終的な相互接続が2014年6月18日に完了して陽子シンクロトロンが粒子を循環させ、数日後にはLHCのメインスーパーマグネットシステムの最初のセクションが動作温度1.9 K（-271.25 °C）に達しました。[102]超伝導磁石の「訓練」の進捗が遅いため、2回目の運転はビームあたり6.5 TeVの低いエネルギーで開始することが決定されました。これは磁石の電流が11,000アンペアに相当します。LHCの主要磁石の最初のものは2014年12月9日までに訓練に成功したと報告され、他の磁石セクターの訓練は2015年3月に終了しました。[103]
実行 2: 2 回目の運用実行 (2015 年 - 2018 年)
2015年4月5日、LHCは2年間の休止期間を経て再始動した。この休止期間中に、ビームあたり7TeV（衝突エネルギー14TeV）に必要な電流を安全に処理できるように、偏向磁石間の電気コネクタがアップグレードされた。[6] [104]しかし、偏向磁石はビームあたり6.5TeV（衝突エネルギー13TeV）までしか処理できないように訓練されており、これが2015年から2018年の動作エネルギーとなった。[82]このエネルギーに初めて到達したのは2015年4月10日であった。 [105]アップグレードの結果、合計13TeVのエネルギーで陽子同士を衝突させることができた。[106] 2015年6月3日、LHCはほぼ2年間のオフラインを経て物理データの配信を開始した。[107]その後の数か月間は陽子-陽子衝突に使用され、11月には鉛イオンの衝突に切り替えられ、12月には通常の冬季停止が始まった。
2016年、装置のオペレーターは陽子-陽子衝突の輝度を上げることに重点を置いた。設計値は6月29日に初めて達成され[40]、さらなる改良により衝突率は設計値の40%にまで上昇した。[108] 2016年の衝突総数は、衝突あたりのエネルギーが高かった第1回実験の衝突数を上回った。陽子-陽子実験の後には、4週間にわたる陽子-鉛衝突が続いた。[109]
2017年に光度はさらに増加し、設計値の2倍に達した。衝突の総数も2016年より多かった。[41]
2018年の物理学実験は4月17日に始まり、12月3日に終了し、4週間にわたる鉛同士の衝突も含まれていた。[110]
長期シャットダウン2（2018年～2022年）
長期シャットダウン 2 (LS2) は 2018 年 12 月 10 日に開始されました。LHC と CERN の加速器複合施設全体が保守およびアップグレードされました。アップグレードの目的は、輝度を 10 倍に高める高輝度大型ハドロン衝突型加速器(HL-LHC) プロジェクトを実施することでした。LS2 は 2022 年 4 月に終了しました。2020 年代の長期シャットダウン 3 (LS3) は、HL-LHC プロジェクトが終了する前に行われます。
実行3: 3回目の運用実行 (2022)
LHCは2022年4月22日に再稼働し、新たな最大ビームエネルギー6.8 TeV（衝突エネルギー13.6 TeV）は4月25日に初めて達成された。[111] [112] 2022年7月5日に正式に第3回物理シーズンを開始した。[113]このラウンドは2026年まで続くと予想されている。 [114]より高いエネルギーに加えて、LHCはより高い輝度に到達すると予想されており、第3回ラン後のHL-LHCへのアップグレードによりさらに輝度が上昇すると予想されている。[115]
作戦のタイムライン
調査結果と発見
研究の当初の焦点は、ヒッグス粒子の存在の可能性を調査することだった。ヒッグス粒子は物理学の標準モデルの重要な部分であり、理論では予測されていたが、質量が大きく捉えにくいためこれまで観測されていなかった。CERNの科学者は、標準モデルが正しければ、LHCは毎分数個のヒッグス粒子を生成し、物理学者が最終的にヒッグス粒子の存在を確認または反証できるようになると推定した。さらに、LHCは、物理学の未知の領域である可能性のある超対称粒子やその他の仮説上の粒子の探索を可能にした。[60]標準モデルのいくつかの拡張では、重いW'ゲージ粒子やZ'ゲージ粒子などの追加の粒子が予測されており、これらもLHCで発見できると推定されている。[134]
初回実行（2009～2013年に取得されたデータ）
LHCの最初の物理結果は、ALICE検出器で行われた284回の衝突を含み、2009年12月15日に報告されました。[117]フェルミ国立加速器研究所のテバトロン陽子-反陽子衝突よりも高いエネルギーでの最初の陽子-陽子衝突の結果は、2010年2月初旬にCMS共同研究によって発表され、予測よりも多くの荷電ハドロン生成が得られました。[135]
データ収集の最初の年が過ぎ、LHC実験協力チームは陽子-陽子衝突における標準モデルを超える新しい物理の探索に関する予備的な結果を発表し始めた。[136] [137] [138] [139] 2010年のデータでは新しい粒子の証拠は検出されなかった。その結果、大きな余剰次元を持つモデルや極小超対称標準モデルの制約バージョンなど、標準モデルのさまざまな拡張の許容パラメータ空間に境界が設定された。[140] [141] [142]
2011年5月24日、 LHCでクォーク・グルーオン・プラズマ（ブラックホール以外に存在すると考えられている最も密度の高い物質）が生成されたと報告されました。 [120]
2011 年 7 月から 8 月にかけて、2011 年前半の実験で収集されたデータに基づくヒッグス粒子とエキゾチック粒子の探索結果が、グルノーブル[143]とムンバイ[144]の会議で発表されました。後者の会議では、以前のデータでヒッグス粒子の兆候があったにもかかわらず、ATLAS と CMS は、145 GeVから 466 GeV のほとんどの質量領域で、標準モデルで予測される特性を持つヒッグス粒子の存在を95% の信頼度 ( CLs法を使用) で排除したと報告されました。 [145]新しい粒子の探索でも信号は得られず、標準モデルのさまざまな拡張、特に超対称拡張のパラメータ空間をさらに制限できるようになりました。[146] [147]
2011年12月13日、CERNは、標準モデルのヒッグス粒子が存在する場合、その質量は115～130 GeVの範囲に制限される可能性が高いと報告した。CMSとATLASの両方の検出器は、124～125 GeVの範囲で強度のピークを示しており、これはバックグラウンドノイズまたはヒッグス粒子の観測と一致する。[148]
2011年12月22日、 χb（3P）ボトモニウム状態という新しい複合粒子が観測されたと報告された。 [123]
2012年7月4日、CMSとATLASの両チームは、125～126 GeV付近の質量領域で、統計的有意性がそれぞれ5シグマの粒子を発見したと発表した。これは、新粒子の発表に必要な正式なレベルを満たしている。観測された特性はヒッグス粒子と一致していたが、科学者たちは、さらなる分析が待たれる中、正式にヒッグス粒子であると特定されるかどうかについては慎重だった。[149] 2013年3月14日、CERNは、観測された粒子が確かに予測されていたヒッグス粒子であることを確認したと発表した。[150]
2012年11月8日、LHCbチームは物理学における超対称性理論の「黄金の」テストとみなされている実験について報告した。 [126]これは、中間子が2つのミューオンに崩壊する非常にまれな現象を測定することによるものである( )。この結果は、多くの超対称性の予測ではなく、非超対称標準モデルによって予測されたものと一致しており、崩壊は超対称性の他のバージョンの予測と一致する可能性があるものの、一部の超対称性で予測されるほど一般的ではないことを示している。当初草案された結果は、証明には至っていないが、有意水準は比較的高い3.5シグマであるとされている。[151]この結果は後にCMSコラボレーションによって確認された。[152]
2013年8月、LHCbチームは、標準モデルでは予測できなかったB中間子崩壊生成物の角度分布の異常を明らかにした。この異常の統計的確実性は4.5シグマであり、発見として公式に認められるのに必要な5シグマにわずかに及ばなかった。この異常の原因が何であるかは不明であるが、Z'ボソンが可能性のある候補として示唆されている。[153]
2014年11月19日、LHCb実験は2つの新しい重い素粒子を発見したと発表した。
Ξ′−
ばそして
Ξ∗−
bどちらも1つのボトムクォーク、1つのダウンクォーク、および1つのストレンジクォークから構成される重粒子であり、ボトムクサイ重粒子の励起状態である。[154] [155]
LHCb共同研究チームは、 Run 1データで複数のエキゾチックハドロン、おそらくペンタクォークまたはテトラクォークを観測した。2014年4月4日、共同研究チームはテトラクォーク候補Z(4430)の存在を13.9シグマ以上の有意性で確認した。[156] [157] 2015年7月13日、ボトムラムダバリオン（Λ0
ビット）が報告された。[158] [159] [160]
2016年6月28日、共同研究チームは、J/ψ中間子とφ中間子に崩壊するテトラクォークのような粒子が4つあると発表しましたが、これまではそのうち1つだけが十分に証明されていました（X(4274)、X(4500)、X(4700)、X(4140)）。[161] [162]
2016年12月、ATLASはテバトロンで行われた分析の精度を研究し、Wボソンの質量の測定結果を発表しました。[163]
第2回（2015年～2018年）
7月に開催されたEPS-HEP 2015会議において、共同研究チームは、より高い衝突エネルギーにおけるいくつかの粒子の断面積測定結果を初めて発表しました。
2015年12月15日、ATLAS実験とCMS実験はともに、13 TeV陽子衝突データを用いたヒッグス物理、超対称性（SUSY）探索、エキゾチック粒子探索に関するいくつかの予備的結果を報告した。両実験とも、2光子不変質量スペクトルにおいて750 GeV付近で中程度の過剰を観測したが[164] [165] [166] 、2016年8月の報告書では、この仮説上の粒子の存在は確認されなかった。[167] [168] [169]
2017年7月には、2016年に収集された大規模なデータセットに基づく多くの分析が発表されました。ヒッグス粒子の特性がより詳細に研究され、他の多くの結果の精度が向上しました。[170]
2021年3月現在、LHC実験では最初の2回の実行中に収集されたデータで59個の新しいハドロンが発見されています。[171]
2022年7月5日、LHCbは、荷電B中間子の崩壊の解析で観測された、チャームクォークとチャーム反クォーク、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークからなる新しいタイプのペンタクォークの発見を報告した。[172]
今後の計画
「高輝度」アップグレード
数年間の運転を経て、どのような素粒子物理学実験も、通常、収穫逓減の傾向に悩まされ始める。つまり、装置で達成可能な主要な結果が得られ始めると、運転後の数年間は、以前の年よりも比例して発見されるものが少なくなる。一般的な対応策は、関係する装置、典型的には衝突エネルギー、輝度、または改良された検出器のアップグレードである。14 TeV の衝突エネルギーへの増加の可能性に加えて、高輝度大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の輝度アップグレードが 2018 年 6 月に開始され、2027 年から物理学における新たな発見に対する加速器の可能性が高まっている。 [173]このアップグレードは、装置の輝度を 10 倍の 10 35 cm −2 s −1まで増加させることを目的と
提案されている将来の円形衝突型加速器
CERNは、将来型円形衝突型加速器（FCC）の予備設計をいくつか持っている。これは史上最強の粒子加速器となる予定で、さまざまなタイプの衝突型加速器があり、その費用はおよそ90億ユーロ（102億米ドル）から210億ユーロに及ぶ。LHCが小型のスーパープロトンシンクロトロンを使用するのと同様に、LHCリングを前加速器として使用する。これは、欧州粒子物理学戦略アップデートと呼ばれる優先順位設定プロセスにおけるCERNの最初の入札であり、今世紀後半までこの分野の将来に影響を与えるだろう。2023年時点では、確定した計画はなく、建設に資金が提供されるかどうかは不明である。[174]
粒子衝突の安全性
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での実験は、粒子の衝突によって終末現象が引き起こされ、安定した微小なブラックホールが生成されたり、ストレンジレットと呼ばれる仮想粒子が生成されたりするのではないかという懸念を引き起こした。[175] CERNが委託した2つの安全性レビューでは、これらの懸念が検討され、LHCでの実験には危険はなく、懸念する理由はないと結論付けられ、[176] [177] [178]アメリカ物理学会もこの結論を支持した。[179]
報告書ではまた、LHCや類似の実験で発生する物理的条件や衝突イベントは、宇宙で自然に日常的に発生しており、危険な結果をもたらさないとも指摘している。[177]これには、3億2000万TeVのエネルギーを持ち、 LHCで発生する最もエネルギーの高い衝突の数十倍の衝突エネルギーを持つオーマイゴッド粒子など、人工のどの衝突型加速器よりもはるかに高いエネルギーで地球に衝突すると観測される超高エネルギー宇宙線が含まれる。
大衆文化
大型ハドロン衝突型加速器は科学界以外からもかなりの注目を集め、その進捗状況はほとんどの科学メディアで取り上げられています。LHC は小説、テレビシリーズ、ビデオゲーム、映画などのフィクション作品にも影響を与えています。
CERN職員キャサリン・マカルパインの「Large Hadron Rap」[180]は、 2022年時点でYouTube再生回数800万回を突破した。 [181] [182]
バンド「レ・ホリブル・セルネット」はCERNの女性たちによって結成された。この名前はLHCの頭文字と同じになるように選ばれた。[183] [184]
ナショナルジオグラフィックチャンネルの『世界で最も過酷な修理』シーズン2（2010年）第6話「アトム・スマッシャー」では、2008年のクエンチ事故後の衝突型加速器の修理で最後の超伝導磁石セクションが交換される様子が紹介されている。このエピソードでは、修理施設から衝突型加速器内部までの実際の映像や、LHCの機能、エンジニアリング、目的の説明が含まれている。[185]
ザ・フレイの2012年のスタジオアルバム『Scars & Stories』に収録されている曲「ミュンヘン」は、大型ハドロン衝突型加速器にインスピレーションを得たものである。リードシンガーのアイザック・スレイドはハフィントンポストのインタビューで、「スイスに大型ハドロン衝突型加速器があり、科学者が重力と質量を生み出すものの謎を解明するのに役立っています。非常に大きな疑問が提起されており、アインシュタインが提唱し、何十年も受け入れられてきたもののいくつかにさえ疑問が投げかけられています。彼らは基本的に、すべてをまとめている粒子である神の粒子を探しています。この曲は、私たちがなぜここにいるのか、そして何がすべてをまとめているのかという謎について歌っているのです。」と語っている。[186]
2012年の学生映画「Decay」は大型ハドロン衝突型加速器に焦点を当てており、映画はCERNのメンテナンストンネルで撮影された。[187]
フィクション
ダン・ブラウンの小説『天使と悪魔』には、バチカンに対する兵器として使用されるためにLHCで生成された反物質が登場する。これに対して、CERNは「事実かフィクションか？」というページを公開し、この本のLHC、CERN、および粒子物理学全般の描写の正確さを論じた。 [188]本の映画版には、LHCの実験の1つで現場で撮影された映像があり、監督のロン・ハワードは物語の科学をより正確にするためにCERNの専門家と会った。[189]
ロバート・J・ソーヤーの小説『フラッシュフォワード』は、LHCでのヒッグス粒子の探索を描いている。CERNは「サイエンス・アンド・フィクション」ページを公開し、この本とそれを原作としたテレビシリーズについてソーヤーと物理学者にインタビューした。[190]
参照
- 素粒子物理学における加速器の一覧
- アクセラレータープロジェクト
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、大型ハドロン衝突型加速器に関連するメディアがあります。
- 公式サイト
- CERN の公開ウェブページにある LHC の概要
- CERN クーリエ誌
- LHCポータルWebポータル
- エヴァンス、リンドン; ブライアント、フィリップ (2008)。 リンドン・エヴァンス、フィリップ・ブライアント (編)。 「LHC マシン」。Journal of Instrumentation。3 (8): S08001。Bibcode :2008JInst...3S8001E。doi : 10.1088/1748-0221/3/08/S08001。LHC とその 6 つの検出器の設計と構築に関する完全な文書 (2008 年)。
- ビデオ
- CERN、LHC の仕組みをYouTubeで紹介
- 「LHC のペタバイト」。60個のシンボル。ノッティンガム大学のBrady Haran 氏。
- 衝突生成モードの LHC のアニメーション (2015 年 6 月)
- ニュース
- 大型ハドロン衝突型加速器がエネルギー記録を破る際に知っておくべき8つのこと
