245■談話室

CERN Summer Student Programme 2011
名古屋大学大学院 理学研究科

山 内克 弥katsuya@hepl.phys.nagoya-u.ac.jp
2011 年 10 月 28 日

1 はじめに今回，私は CERN Summer Student Programme に 7 月 5日から 9 月 9 日の 10 週間参加しました。このプログラムは
CERN で行われており，世界中から毎年 250 名程の学生が参加しています。本プログラムにおける活動内容・体験についてこの場をお借りして報告いたします。

2 活動内容電荷 e と磁荷 g の関係は次のように表されます。
n ceg =2nは整数で n = 1, 2, 3, ⋅⋅⋅ をとります。
磁荷は g = ng D = 68.5neです。また，n = 1 の時，g = 4.136´10-15 Wb となります。
半径 rg
古典的なmonopoleには質量の理論値はないのですが，が電子の古典半径 re に等しいと仮定すると次のように見積もることが出来ます。

2.1 講義・見学

re = rg =7 月 6 日から 8 月 12 日までの間，毎朝講義がありました。

mg =内容は，素粒子標準模型の基礎，測定技術，コンピューティングまで様々な内容の英語での講義でした。最先端の技術や，現在計画中の実験に関する講義が印象に残りました。
なかでもミューオン加速器の話が興味深かったです。
ミューオンは電子と比べ制動放射によるエネルギーロスが小さい

g2e2
=2mgc
mec 2

g 2mee2 2.42 GeV/c 2

ただし，これは素電荷を e，n = 1 とした計算であるので，n > 1 かつクォークの電荷が e より小さいこと考慮すると，質量 mg はさらに大きいと予想することができます。

ので，TeV スケールでのレプトン-レプトン衝突型円形加速

Monopole は他の知られている荷電粒子と異なる面白い特器が可能になるという話には興奮しました。講義の後には徴があります。第一に，大きなエネルギー損失があげられ30 分程度の質疑応答の時間が設けられていました。この時ます。検出器中を通過する際，monopole は約 68.5e の電荷間中に英語で質問してみたのですが，なかなか質問の意図を持った粒子のようにエネルギーを落とします。これからを伝えられず苦労しました。しかし，そんな質問にも親身

Bethe-Bloch を用いてエネルギー損失を予測すると図 1 のよに分かりやすく答えてくれたので，助かりました。

うになり，他の荷電粒子と比べ大きなエネルギー損失を持見学では，CMS・ATLAS の施設などを見ました。CMSつことが分かります。の見学では実際に地下まで降りることができました。地下

Monoplole(1000GeV)まで降りてみると実験のスケールの大きさを肌で感じ取ることができました。施設見学の際に，ところどころで KEKと書かれた装置などを目撃することもあり，LHC への日本の貢献を感じることができました。

2.2 研究Summer Student Programme の参加者は各々研究室に配πKpμ

属され各自研究を行います。これがメインの活動となります。私は CMS 実験における長寿命粒子探索グループに加わり，指導教官 Steve 氏のもとで magnetic monopole 探索を行いました。以下にこの研究成果について報告します。
2.2.1 Magnetic Monopole

図 1. 粒子毎のエネルギー損失の比較

第二に，monopole の磁場中での運動は，荷電粒子と異なMagnetic monopole(以下 monopole)は単磁荷の粒子で，ります。CMS 検出器において荷電粒子は磁場中ではローレ

1931 年に Dirac が電荷の量子化を説明するために導入したンツ力を受け，磁場に垂直な方向に曲げられます。それに考えです。モデル依存性はあるが， 370 GeV 以下の質量のまた，対して monopole は磁場に沿った方向に曲げられます。

monopole は CDF の実験により制限がかかっています。

質量が大きい monopole は他の粒子と比べて速度が遅く，1000 GeV の monopole が生成された際の速度は光速の 1/2

246程度となります。一方，ミューオンなどはほぼ光速で測定器内を通過します。Monopole がこのカロリメータに到達する時間は他の粒子に比べ数 ns 遅れることが予測できます。

s(qq  mm ) = (68.5)2 ´

1.74´es-25.3ms´10-30となります。ここで m = 2M m ( M m は monopole の質量)です。以上の過程に基づき monopole を生成しました。今回

2.2.2 CMS 検出器

CMS(compact muon solenoid)検出器はLHC実験における汎用検出器です(図2)。大きさは，高さ 14.6 m, 長さ 21.6 m であり，内側から内部飛跡検出器，電磁カロリメータ，ハドロンカロリメータ，超伝導ソレノイド電磁石，ミューオン検出器という構造になっています。この検出器の特徴の一つはソレノイド電磁石です。大きさは，高さ 6 m, 長さ 13 m,磁束密度は 4 T です。Monopoleがカロリメータに対して垂300 GeV, 500 GeV, 700 GeV, 1000 GeV の monopole を各々1, 000 evemts 生成しました。このシミュレーションより得られた monopole の典型的な信号を図 3 に示します。通常の荷電粒子は y - z 平面上で曲げられないと仮定しているので，飛跡は直線として再構成されます。この結果，飛跡とカロリメータでの検出点はズレます。また，monopole はカロリメータに大きなエネルギー損失を残すことも分かります。

直に飛び出すことを仮定した場合，磁場に沿った方向へ30 cm ほど曲げられることになります。このソレノイドはカロリメータの外側に設置されています。そのためソレノイドの影響を受けずにエネルギーを測定することが出来ます。電磁カロリメータは放射長 0.89 cm の Pb(WO)4 結晶から構成されています。結晶の大きさは長さ 230 mm(25.8X 0 ),表面積 2.2 cm ´2.2 cm です。また，ビーム軸から電磁カロリメータまでの距離は 1.3 m です。

図 3. イベントディスプレイ

2.2.4 解析結果
今回の解析では，トリガーから要請されるカロリメータでのエネルギー損失 98 GeV 以上，光子と比較した電磁カロリメータへの到達時間 (etime) > 1 ns, 2 ns, 3 ns を事象選別に用いています。生成断面積は次式で求めることができます。
event 数s=⋅ ⋅ Br
ここで，  はルミノシティ，  は検出効率， Br は崩壊分岐比を表します。今回は Br = 1 を仮定しています。1事象検出した時の生成断面積を見積もり，図4のような結果を得ました。今回の結果から，到達時間による事象選別後も信図 2. CMS 検出器

2.2.3 Monopoleシミュレーション

Monople生成過程はDrell-Yan過程として考えます。この際のFeynman図は号に対する感度があるという結果を得ました。
この先，グループとしては，背景事象を見積もり，到達時間による事象選別の有効性を示し，実際のデータを用いて解析を進める予定です。

左のようになります。Drell-Yan過程の生成断面積は次のように表されます。
s(qq   + - ) =Q 2 4pa2
´ 23 3Ecm

Q はクォークの電荷です。 Q 2 を3で割るのはクォークのカラー自由度を考慮しているためです。この式とmonopoleの結合定数が amm = ng D / e = 68.5a であることを用いて，
2

æ ng ö÷s(qq  mm ) = ççç D ÷÷ ´ s(qq   + - )çè e ÷÷ø

理論曲線
E>98GeV3ns2ns1nsとなります。
過去の実験結果からの p - p 衝突でのDrell-Yan過程の反応断面積をmonopoleに対して用いると，

図 4. 生成断面積の理論値とカットごとの生成断面積

2473 生活

Summer Student 主催のパーティも何度か行われました。

今回の CERN への滞在は物心ついてから初の海外といっ友人を増やす絶好の機会なのでできるだけ参加しました。ても過言ではありません。すべてが新鮮でした。知らない

この時に音楽やダンスが好きな友人ができました。彼は普おじさんの車に何度かお世話になり，初対面の街の人たち段からも積極的で陽気です。陽気なだけと思っていたら大と肩を組んだり，人々の寛容さに驚く日々を過ごしました。

間違いで，友人はほぼ毎日図書館で遅くまで勉強していま

今回の滞在では Saint-Genis のホステルに下宿しました。

した。研究においても成果を挙げています。このパワフル

CERN から離れているため自炊する機会が多く，台所では様々な国から来た学生と食卓を囲み交流し，各国の料理を体験しました。私たち日本人もお好み焼きパーティを企画し，友人を呼んで楽しい一時を過ごしました。
学生たちが集まった時の会話はお国柄トークが多かったように思います。また，お互いの国の文法について話したり，同じ意味の言葉を各自の国の言葉に訳して教え合ったさに対して純粋に尊敬しています。

4 今後このプログラムに望むこと
Summer Student Programme の公募または告知を早くするべきであると思います。また，参加決定後から CERN 到着までの期間に説明会などが日本国内であることを望みます。過去に参加した方の話を聞くことのできる機会があるりもしました。同じ階に住んでいた William とは非常に仲とより良いと思います。

良くなりました。到着初日から夕飯を食べに一緒に出かけ，

5 今後の抱負

その後，研究室が同じであることが分かり長い時間を共に今回のプログラムで学んだのは自分から積極的に動くこ過ごしました。出会ったその日に「お前の英語はヘタクソとの大切さである。CERN での指導教官は多忙な方で，毎だ」と罵られたりもしましたが，気がつくと将来のことを日のように会議に参加しており，時間がある時に進捗を聞共に話す程の仲になったのは良い思い出です。彼は理論のきにくる程度でした。研究に詰まっても議論する機会を待道を目指すそうです。将来会える日が楽しみです。

つだけでした。ある日を境に，研究の成果をメールで報告

休日はジュネーブのお祭り・映画撮影などに参加したり，したり，昼食時を狙って話しかけたりすることで，議論の友人と旅行に出かけたりしました(図 5,6)。映画館に映画を機会も増え，研究が良い方向へ転がり始めました。その他

観にも行きました。これは日本と変わらないだろうと思っにも，自分から動き出さねば，得られないような機会はいていたら，映画観賞時の態度がまったく異なっており，衝くつもありました。今後とも，この経験を生かし研究に精撃を受けました。日本では静かに映画を観るだけだが，ス進して行きたいと思います。

イスの映画館では何か起る度，大きな笑い・歓声・拍手が響き，日本では考えられないような状態でした。

6 おわりに最後に，このプログラムに参加するにあたり様々な支援，協力をして下さった KEK の方々に深謝いたします。また，推薦書を書いていただきました飯嶋先生，このプログラムを紹介して下さった戸本先生，ありがとうございました。
そして，CERN の研究室で丁寧に指導して下さった Steve氏，CERN での生活のアドバイスを下さった先輩方，共に日本から参加した田代君・田中君・関口さん・廣瀬君をはじめ，ここでは書ききれないですが様々な人のお世話になりました。

図 5. ゾンビ映画撮影会にて参考文献
私の研究で参考にした文献を挙げておきます。

[1] The Electromagnetic Calorimeter Technical Design Report.
[2] CMS Physics Technical Design Report Volume I: Detector Performance and Software.
[3] TECHNICAL DESIGN REPORT OF THE MoEDAL
EXPERIMENT.
[4] Feasibility Study of a Magnetic Monopole Trigger in pp collisons.
図 6. フランスで行われたお祭りに参加した Summer Student たち[5] Dirac Magnetic Monopole Production from Photon Fusion in Proton Collisions.