50192■談話室

W/Z から Higgs へ（回顧録）
前筑波大学数理物質系

原和 彦

hara@hep.px.tsukuba.ac.jp
2023 年（令和 5 年）8 月 22 日

1

はじめに

2.2 W/Z － CERN UA2

高エネルギーニュースに回顧録文を掲載して頂けること

UA2 は UA1 とともに前年までに W/Z 粒子を CERN Spp#Sなり，恐縮とともに，深く感謝します。KEK の 12 GeV PS加速器で発見していた。ベルン大学では UA2 検出器増強とで博士研究を開始し，その後は検出器開発を主な活動としして，最初の 2 年はエンドキャッププリシャワー検出器 ECPTてエネルギー最前線で標準模型粒子の研究をしてきた。章

を設計・製作し，後半 2 年はシリコンパッド検出器製作に立てと内容がしっくりこないが，ご容赦願いたい。

携わった。UA2 は発見した W/Z 粒子の詳細な評価を継続[2] し，W 粒子質量について最も信頼できる測定値を与え続2標準模型の粒子

2.1 ストレンジ － KEK E49(Λ)
SLAC で深非弾性散乱実験をしていた近藤都登先生によって筑波大学素粒子実験室は 1977 年に立ち上げられ，原は修士学生として 1980 年に同室に加わった。

けた。それ以前の CERN の目ぼしい成果は「中性カレント」だけでアメリカに引け目を感じていたが Hahn 先生は“Thereis nothing more to learn from the UA”と何度か言っていた。
W/Zの成果は彼らに大きな自信を与えた。
ECPT [3] はパビア大学とベルン大学の共同製作で，イタ修士では検出器開発が推奨され，後述の Λ 実験装置は主リアでアルミ製筐体を製造し，ベルン大でワイヤー張り＋試な開発が終わっていたので，KEK の久寿米木先生の重液シ

験，バビアで XUV 層２組＋タングステン層＋XUV１組のもンチレータ HELICON 開発の手伝いをした。紳士である先のを組み立てた。ベルン大の K. Borer 氏が読み出しを分担

生からは「海外に行く場合は，女性との手切れはしっかりし，原はワイヤー試験から，テストビーム評価，コライダーと」との助言を頂いたが，海外へは学生結婚後だったので面での初期性能評価を行った。Λ 実験の MWPC や HELICON倒な手切れは体験していない。測定室の隣のプールでは鈴での電磁シャワーの経験がそのまま活かせたが，この間，イ木厚人氏が大型 PMT の耐水実験をしていた。

タリア人の押しの強さとスイス人の性格の穏やかさを目の12GeV 陽子ビームを取り出し Λ 粒子の偏極度等の測定を当たりにした。

する KEK E49 実験は，東洋で唯一ストレンジバリオンを生ECPT の設置が終わるとシリコンパッド検出器 [4] のセン成するものだ。原は MWPC のメンテを分担し， Ks と Λ のサー評価を始めた。プロジェクトリーダーは C. Gößling で生成断面積を比較し，ストレンジクォークを通して，これらある。
当時シリコンセンサー自体はすでに何例かあったが，粒子がどのように生成されるかを博士論文とした[1]。デー

これは，VLSI を搭載する初めてのハドロン衝突器用検出器

タ解析は KEK の大型計算機でバンチカードと磁気テープをである。週 3 回は愛車のボルボ 240 でベルンから CERN に用いて行った。他大学の院生らともひとつの解析部屋で過通い，Micron や SINTEF 製センサーの暗電流や静電容量，ごし，そこで知己となった人々は，その後に各方面で活躍しノイズなどの基本特性評価を行った。ている。

ヨーロッパでは，少なくともスイス人は，ハードかソフトΛ 実験代表は，実験準備が終わる段階で近藤先生から滝かに専門化し他人への干渉も最小とする研究スタイルで勤川紘治先生に交代となり，安岡・阿部を最初に安田，田中，務時間も守り休日を楽しむ。
こうした価値観はそれに従うか

原の５名が博士号を取得した。近藤先生と知己のあったス

どうかは別として体験すべきものと感じた。尚，現 CERN 所

イスベルン大学 B. Hahn 先生の研究所に 1985 年に手取り 5長の F. Gianotti 氏は UA2 カロリメータグループに属す学生

千 CHF で就職し UA2 実験に参加した。就職にあたり滝川で，美しい姿は遠目からも際立つ存在であった。

先生からは「解析は良くできるので検出器を頑張って」と，ベルン大学からは慰留されたが，Hahn 先生の退職を機に，また，近藤先生からは「実験はひとつ最低 5 年かかるので，滝川先生に誘われて消費税が始まった 1989 年（平成元年）

どの実験をするのかは良く選択して」との言葉を頂いた。に筑波大学に戻った。

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2.

93

ト－

NA Cた。2005 年までにはセンサー製造が完了したが，LHC 稼働

197 年の C. Rubbia，P. McInt re. Cline による 存加速を見据え Tevatron をシャットダウンしている時間的余裕が[5] を け れ に，米 フェルミ研究所ない，との判断で設置は見送られた。パネルを努めた KEKは Te atron 加速器への増強を行い，C F 実験は 1982 年に近藤敬比古氏からは日本 の主張が足りないと言われたが，器での実験初衝突を観測していた。C F は日米 の 3により始現行検出器が最後まで動作したのだから結果的に正しい判められ，日本代表は近藤先生が勤めた。この時期は最初の検断だったと言うしかない。C F と出器増強が計 され，原は中関して 3.1 に迫る氏らと中 ミュー粒子検出器増強 CMP（プロジェクト代表 T. L ss）に携わった。

は最終的に Higgs にを 2012 年 月に発表した [ ]。

2011 年の Hiroshima S mposium HST 8 では，長年シリコインチ アルミ のドリフトチュー を 4 層スタックしンに携わってこられた広 大の大杉節氏の退職を記念して

0C F シリコンの歴史を発表させて頂いた [8]。

厚の体の外 に設置するもので，本体の製作をイリノイ大学で行い，その検 システムを筑波大がした。大学院生のとともにイリノイ大学に 在し，電極用 PCB 製作・

2.4－ CERN A

Aやワイヤー張りを現 のアルバイト学生

ATLAS にはスポークスの P. enni から参加の誘いを けらとともに行った。 人の学生が「日本に race があるか」ていたが，シリコン検出器 SCT 建設に貢献することで，３と いてきたのが年の事前活動の後に筑波大は 2000 年に ATLAS apan の正に る。

C F は 199 年にトップクォーク存在のを発表し，式メンバーとなった。SCT は近藤敬比古氏や海 義信氏ら生成物でを中心に進められ，この時点で基本設計はほぼ終わっていある２つの W 粒子の検出が発見のキイであった。日本 のた。C F シリコンの経験から量産センサー試験，さらにモ解析は近藤・金信弘氏や院生により進められ，近藤先生からジュールの組立や試験に取り組んだ。敬比古氏から「これをは「CMP を作った原くんのおかげで発見できた」と感謝さ超えてみろ」と自分が以前に測定したベータ線応答波高分れたが，この解析への貢献がなかった皮肉だったのだろう

布を渡されたが，すぐに凌駕するものを得ることができた。

な。

モジュール組立は高 孝氏らが設計し，筑波大の加藤陽一

1995 年 月にとともに発見をした。

C F では Run2（2001 年衝突開始）用増強として，内部飛がプログラム化を進めた。
丁寧な計測とフィードバック方式

跡検出器とエンドキャップ (EC) 部カロリメータの置換えにより最初にモジュール組立サイトに認定され，しかも最もが検討された。
EC 電磁カロリメータの検出層は筑波大が .1優れた組立精度を実現した。日本グループ独自の取り組み

章で紹介するタイルファイバー形式で作製した。原は内部として全ストリップを赤外レーザーで全モジュール試験し，飛跡検出器として，シンチファイバのトラッカーをした

読出し ASIC を含めた総合試験をした[9]。CERN ではケーがイタリアグループ等のシリコントラッカーが採用されたリングなどの設置作業も行った。現 の技術者から物理ため，1997 年より浜松ホトニクス(HPK)製のセンサー担当屋がこうした作業を一緒することがとてもうれしいと言わになった。この ISL（Interme iate Silicon La ers）[5] は衝突れ，点シリコンと大部分を占めるドリフト検出器 C T の中間にに る。

ATLAS は CMS とともに 2012 年７月に Higgs らしき新粒した。代表の Gianotti も Incan ela も旧知の間位置し飛跡再 成のアンカー飛跡を与えるもので， "ウェ子発見をハに小ステレオの両面ストリップセンサー SS で 成され柄でありうれしく思った。筑波大学では広 室主催で 9 月た。UA2 時のセンサーと比べるとはるかに暗電流安定性が1 日に金氏とともに講演会を行った。
「ヒッグス発見」の講良く，特に表面状態がきれいで，逆に一度酸化膜が帯電する

演会タイトル原と回復に時間がかかることが分かった。N. Bacchetta らイタ「ヒッグス粒子って何？」に変更してもらった。

をヒッグスと断定していない理由からグループからも）ストリップ電2005 年からは放射線耐性に優れたｐ型バルクシリコンの極分離劣化を指摘されたが，センサーハンドリングの問題で開発を海 氏らと始め，東北大 C RIC での照射試験などをあることを 早く指摘した。
プロー 試験をするにあたり，経てストリップ型センサーの設計をすすめた [10]。この成HPK からは納品とは別に C グレード品を無償で送るのでそ果は高輝度 LHC 用のセンサーに採用され，HPK が ATLAS

リアグループから（後にちらを触ってください，とを頂き，シリコンセンサーのの全ストリップセンサーを製造することとなった。日本グ様々な性質の評価法を標準化することとなった。指針：物理

ループはピクセル型が主な興味であったため，筑波大が SCT屋はセンサーに触るな!

以来の関連からストリップセンサーの品質管理を分担した。

衝突点シリコンの放射線損傷が懸念され，2000 年から新原の退職年にセンサー製造が完了する予定であったこともたに Run2b シリコン[ ]の製作を開始した（プロジェクト代

引き けた理由である。
実際はコロナのために予定が延び，表 . Incan ela）
。これは "ウェハの片面プロセスで，1 kV ま

現在は筑波大の廣瀬茂輝氏が主導している。ピクセル型でで耐圧のあるセンサー製造が HPK は可能であることを示し

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はセンサー設計やセンサー・モジュールの品質管理に学生が貢献し， KEK の中氏が丁寧に指導している。

S C 解散後実験のもうひとつの可能性として 1995 年から
ILC 用カロリメータ開発にも取り組んだ。
最初にタイルファイバー技術を用いてハドロンシャワーの成長を べるハンギングフィル（懸架式）カロリメータを KEK の藤井啓昭氏に検出器開発 かり触れているが，これら以外に新しい，または実らなかった実験のための研究も行った。

らと作製した。これは 1 mのプラスチックシンチ を本の WLS ファイバーで読み出すサンプリング型で，層毎にハドロンシャワー信号を記録することで詳細なシャワー発.1C

達を べられ，懸架式によりシンチと体の 成を簡単

C F の の実験として SSC 加速器 40 TeV の pp 衝突器)に変えられる。ハドロンシャワーのエネルギー分解能は，電計 が始動した。 内のいくつかの大学と KEK は，1989 年

磁成分とハドロン成分への応答比が１でないと劣化するが，10 月 25 日に S C グループへの参加を びかけた。
CMP の関連で最初はミュー粒子の発生レートなどの算定材

または鉛 の厚さとシンチの厚さを 切に選ぶことで１に近づけられることを示した[13]。

を行ったが，すぐに筑波大が進めていたシンチレータ を波

その後に信州大学のグループらとともに電磁カロリメー

長変換 (WLS) ファイバーで読み出すサンプリング型カロタの開発や MPPC に 手したが，2000 年に ATLAS 筑波大リメータ（タイルファイバー）の設計を開始した。10 cmの代表になってからは活動の重点を SCT に移行した。

度のシンチ に WLS ファイバーを め む際の 形状，WLS ファイバー 面の 面 理，WLS ファイバーと.4ファイバーのファイバーコネクターなどを新技術

SCT の ATLAS への設置完了後，海 氏に誘われ，2005 年として開発した。どれも当時の水準を超える性能で一様性に KEK に新設された測定器開発室の SOI グループ立ち上げがキイとなるカロリメータ製作の重 技術を 立した[11]。のメンバーとなった。
SOI silicon on insulator のピクセルセ

S C への 用については放射線損傷が懸念されていたが，ンサーへの応用は KEK 新井康 氏によるイニシアティ でKEK の電子 射器を用いて損傷実験をするなどを経て，損進められた。

，

傷が深さに 存する系 的なものなので 正可能でエネル

ま 放射線耐性の評価に取り組んだ。元々は ATLAS に設

ギー分解能の劣化は えられる，また高速応答性に優れて置できるモノリシックピクセルのいることから S C 用に採用された。カロリメータ開発は，面バイアスが回路層に影響を与えるバックゲート効果や FETタイルファイバーを筑波大が主導し，他の S C 日本グルーを取り囲む酸化膜への正孔蓄積の TI （Total Ioni ing ose）

プは液体 Ar を押していたので，敬比古氏から効果が顕著で， 求に 遠い性能であった。しかしラピス半筑波)状態と(筑波されたが，採用を けて ANL と共同で中導体（始めは沖半導体）の技術と想定していたが，裏のもと， め み電極や電磁カロリメータの実機設計を進めた。

2 重 SOI ウェハの導 により飛躍的な 善がされた。
数 kG

199 年 10 月 18 22 日に，9th pp#orkshop が筑波大で開で動作 能になるデバイスが 2 重 SOI の 層電極に 当な催されていたが，会期中に SSC 中 の がもたらされた。

負電圧を加えることで FET 層直 の酸化膜の TI 効果を相SSC トンネルの殺でき，1MG 照射後でも動作することを示した[14]。LHC

1はみであったが，建設費の実性から中 に い まれた。
開発した一連のタイルファ
イバー基 技術はそのまま C F の EC カロリメータに 用されたので無 にはならなかった。には 足であるが ILC 等には十分な耐性である。
SOI モノリシックではピクセル電極面積を小さくできる利点があり，8 m 四方にアナログバッファまで組み んだ FPIXを新井氏や KEK の三好敏喜氏が設計し院生の本 俊介が.2ン レ

S C 解散後に C F の後継実験をどうするかで模 があり，近藤先生は CMS への参加可能性を り，1995 年からは KEK の小 正 氏の で高速結 シンチレータとしてタングステン酸鉛

ガドリニウムケイ酸塩

VLSI 実装をした。201 年には世界最高の位置分解能 0. 5m を記録し，半導体検出器にあった 1 m の壁を簡単に破ることに成功した [15]。
ILC 実験への 用として 1 s

度の時間情 をもつセン

P W O の 良や G S O [12]の新開発に取り組んだ。結 ，
文は ATLAS と CMS 両方をサポートせ ，近藤先生のサーSOFIST に取り組み，2020 年までに目標を満たす分解能

筑波大学退職を機に３年 の活動を終えた。結 成長の実

ヒット分の時間・位置情 を保持するために金のマイクロバ際を体験し，また GSO は でも PET に われるシンチレーンプを用いて３ 元積層したセンサーを KEK の小 峻氏やタでもあり，この間はな期間であった。

を実現した [1 ]。この開発では 20 m 四方のピクセルに３山田美帆氏が設計し，SOI の高機能化も実現した。ILC には消費電 の 求を満たす取り組みが必 である。

.

C

5095.4

し ASIC の設計を進めている。

東 電一原発の子で直後にの状態を線ミュー粒するというアイデアを KEK の氏が事し，KEK の高 史 氏の に実働チームが作に研究生活の 切りを えた。UA1 をしながら活気にられた。筑波大からは金氏と 2 名の学生（ 本就 ，高満ちた UA2，最高の研究者優）が参加し，2011 年 9 月に検出器のミーティングを持っれらでの体験は け えなく， に興味深い研究テーマにた。そこで 1 m 長で 1 cmシンチレータ を 100 本 べ，取り組められた。大学事務が作成した原の iki によるとイに 2 層重 ることで位置検出面とし，これを 2ンパクトファクターを含めた論文数 h 指数 が日本一だそ

これを X組もしくは組 置することで線の飛来方 を測定すうだ。 の い後 から小である C F や ATLAS。こ川より高い，とされるる方式を 定した。年内に東海 原電の原子 で実 実験が，長年，最前線の実験をした記録であり，先 ，後をすることとなり， 期間にシンチ ファイバー系，読み出

特に 心に研究に取り組む筑波大学生に負うところが い。

し MPPC，アンプと FPGA データ

退職の 3 月にはつく エポカルに くの 業生に参 して系を 備した。MPPCまでは までの経験ですぐに設計製作に れたが，FPGA 系
は Bee Beans Technologiesに製作 頼し，読み出しソフトは Λ 実験以来知己の KEK 安 治氏に 本を指導してもらって 備した。東海 に び む前日にシンチの 射氏，もらった。
人名の所属は当時のものを用いた。この原 機会を与えて頂いた HEPne s部に感謝する。

をり終えるというタイトなスケジュールであった。
東海 での試験からは原子 水位の変動などが 1 週間でに検知できることが分かったが， 心の 面に れているの存在をにできたのはもう 1 セットを 90 度らして設置しステレオ観測したためである[1 ]。ステレオデータ解析は KEK の藤井啓文氏が主導した。
東海 での実 を評価され，東電および 際機 のを けて 2015 年から，1 号 から３号 までのデリを年毎に観測した。この間，シンチ は の り出しから FNAL での押し出し成形に変え，2， 号 ではシンチを いに 5 mmらして 2 層にすることで位置分解能を上げ X 層間を 0.5 m に半 することで装置全体をダウンサイズした。これは作業のになら ，かつ，原子 建屋に近 設置することを可能にした。どの原子 も所定の位置にはほぼ ら ，2 号 については圧 容器 部にデ リがあることを示した[18]。測定が終わる には原子内部にカメラが るようになったが，デ リ量を定量的に評価できる唯一の測定であったことは特 できる。

.

4AC

時間分解能に優れた Lo
導体検出器の開発研究を中LGA[1] K. Hara et al., Ph s. Re . 36 1302 198 .
[2] R. Ansari et al. Ph s. Lett. B186 440 198 .
[3] K. Borer et al., Nucl. Instr. Meth. A286 128 1990 .
[4] C. Rubbia et al., Proc. Int. Neutrino Conf. Aachen 1983.
[5] A. Affol er et al., Nucl. Instr. Meth. A453 84 2000 .
[ ] M. Aoki et al., Nucl. Instr. Meth. A518 2 0 2004 .
[ ] T. Aaltonen et al., Ph . Re . Lett. 109 0 1804 2012 .
[8] K. Hara et al., Nucl. Instr. Meth. A699 84 2013 .
[9] K. Hara et al., Nucl. Instr. Meth. A541 122 2005 .
[10] K. Hara et al., Nucl. Instr. Meth. A565 538 200 .
[11] 原和
放射線 20-2 53 1994 .
[12] M. Tanaka et al., Nucl. Instr. Meth. A404 283 1998 .
[13] T. Su uki et al., Nucl. Instr. Meth. A432 48 1999 .
[14] M. Asano et al., Nucl. Instr. Meth. A831 315 201 .
[15] . Sekiga a et al., Springer Proc. Ph s. 213 2018 .
[1 ] H. Mura ama et al., Nucl. Instr. Meth. A978 1 441 2020 .
[1 ] H. Fujii et al., PTEP 2013-7 0 3C01 2013 H. Fujii et al.,PTEP 2019-5 053C01 2019 .
[18] H. Fujii et al., PTEP 2021-2 023C01 2021 .
[19] S. Kita et al., Nucl. Instr. Meth. A1048 1 8009 2023 .

Again a alanche io e LGA

半氏らと 201 年から始めた。

は 州を中心に開発が始まっていたが，電極を細分化し位置と時間分解能がともに優れた 4元飛跡検出器を実現する事が 々の目標である。細分化方式として，トレンチ分離と AC合方式をそれ れ院生の和田 と大史が TCA シミュレーシ ン設計をし，2020 年に AC LGAを HPK で最初に試作した。最 なドープ 度を得るために中 氏が主導して試作を重 ，院生の北海を中心とした丁寧な測定で 2022 年までに時間分解能 30 ps の 100 mピクセルを完成させた[19]。現在は放射線耐性の強化と読出

2023 年 3 月 25 日エポカルでの会（写真提供森田洋平氏）