172■談話室

CERN Summer Student Programme 活動報告
東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻

宮 崎

彬

miyazaki@icepp.s.u-tokyo.ac.jp
2009 年(平成 21 年)10 月 16 日

1.

はじめに今夏，2009 年 6 月 30 日から 9 月 4 日の 9 週間にわたり，欧州原子核研究機構(以下 CERN)で行われている Summer
Student Programme に参加したので，ここに報告する。

講義は当然のようにすべて英語であった。物理に関することは比較的分かるが，他分野の技術的なこと，たまに挟まれるジョークなどはよく理解出来なかった。
印象に残った講義はパリ大の Vannucci 教授のニュートリ
ノ物理学，日本では講義を受けたことのない IPMU の村山

このプログラムは世界各国の大学院生および大学生，と教授の標準模型，高名な Dvali 教授の Beyond Standard

きには高校生を，夏期休暇を利用して指導，教育するもの

Model であろうか。特に最後の講義は，OHP への板書といで，例年開催されている。集まる学生の興味，専門は物理

う形で行われた，おもに余剰次元に関するもので，内容は学やコンピュータサイエンスを中心として多岐にわたって勿論，教授のキャラクターも面白かった。

おり，プログラム自体の内容も多彩なものである。近年 Large
Hadron Collider(LHC)が世間を賑わせているが，このプロ

2.2 課題研究

グラムでは LHC とは直接の関係のない別の実験に配属され

2.2.1 概要ることも多い。そのような中，私は LHC の二大検出器の一

私は CMS の物理解析グループにおいて，Dr. Ilaria Segoni，翼である Compact Muon Solenoid Detector(CMS)の物理解

Dr. Maurizio Pierini，Prof. Maria Spiropulu の指導のもと，析グループに参加し，一夏を物理解析とともに過ごすこと

主にミューオンの解析を行った。となった。

研究の初期は CMS の解析に慣れるという名目で CMSSW

このプログラムに参加するにあたり，非常に多くの方の(CMS software)のチュートリアルを行い，途中から Maurizio

ご協力をいただいた。この場を借りて感謝します。この報の用意した ROOT file を用いたベクターボソンの解析を行っ告をもって，私の活動の総括といたします。

た。十分に software に慣れた後で，本題であるミューオンの解析に移った。これはミューオンのカロリメータにおけ2.

活動内容

るエネルギー損失の解析を行うもので，CMS においては未だ誰も成功していない，極めて challenging な課題である。

Summer Student Programme での活動は，午前中の講義，午後の研究という二本柱で構成されている。

2.1 講義世界各地の研究者を招待し，素粒子物理学，実験学，コンピュータサイエンス等々の様々な講義が行われた。前述のように，プログラムに参加する学生は必ずしも素粒子物

2.2.2 研究動機
現在までの加速器実験において，ミューオンの運動量はトラッカーにおいて測定されてきた。よく知られているように，磁場 B，曲率半径 ρ ，ミューオンの横運動量 pT に対してpT [GeV] = 0.3B[T]ρ[m]理学専攻というわけではないので，特に素粒子物理学に関しては初歩から Beyond Standard Model に至るまで多くのという関係によって測られる。現行の最高エネルギーの加講義があった。講義の後には質問時間が設けられており，速器である Tevatron においては，この方法で問題がなかっ気になったことはその日のうちに質問，解決出来るよう配た。なぜならば，生成されるミューオンは Minimum Ionizing

慮がなされていた。少し意外だったのは，多くの外国人(主Particle(MIP)であり，多くが少ないエネルギー損失で検出にヨーロッパ勢)が質問に関してシャイな一面を持っていた器を通過していたからである。

ことである。日本人の学生は日本の大学で質問が少ない，

しかし LHC においては，o(200GeV) 以上という非常に大とよく言われるが，ヨーロッパ人も似たようなものだった。

きなエネルギーのミューオンが生成されることが予想され173ている。その場合もはやミューオンは MIP ではなく，特にFe の含まれるハドロンカロリメータにおいてシャワーが発生することになる。ここでいうシャワーとは，ミューオンから Bremsstrauhlung により放射された光子が対生成を起こし，電子と陽電子を生成するというプロセスのことである(図 1)。このようにして大きなエネルギーをカロリメータに落とすだけでなく，ミューオンの周りで発生した電子・陽電子がミューオントラッカーの軌道を覆い，運動量の決定精度が落ちてしまう。最悪の場合，カロリメータにおいてほぼすべてのエネルギーを落とし，ミューオントラッカーに到達しないことも考えられる。

図2

CMS 断面図

通常は宇宙線によるデータに関して，ビーム衝突とは異なる reconstruction を課す。なぜならば宇宙線は検出器の外からやってくるからである。しかし今回は，ビーム衝突のときのカロリメータの性能を調べたいということで，通常の reconstruction を採用した。
図1

ミューオンシャワーの概念図

解析において必要なイベントは，検出器の上部から侵入して内部飛跡検出器を通過し，検出器下部でシャワーを起そこで発想の逆転が必要になる。今までのエネルギー領こして大きなエネルギー損失を生じるような高エネルギー域ではミューオンが MIP であったためにカロリメータに落ミューオンのイベントである。
そのため上方ではカロリメーとすエネルギーが一定で，それから全エネルギーを精度よ

タとトラッカーの双方を貫通し，下方では内部検出器でく推定することは不可能だった。これからは，ミューオンミューオンの追跡が終了したと考えられるイベントを，のエネルギーをカロリメータで精度よく測定することが可η < 2.3 の範囲で選び出した。

能になると期待されているのである。これが私の研究の動機である。

2.2.5 解析と結果初めにやらなければならないことは，カロリメータにお2.2.3 Compact Muon Solenoid (CMS)

LHC には四つの大検出器，ATLAS，CMS，ALICE，LHCbがある。このうち前の二つは主に Higgs 粒子の探索，SUSYの探索，その他 exotic な物理の探索に用いられる。今回私が参加したのは CMS である。

けるミューオンのエネルギー損失と，カロリメータのノイズとの分離である。内部飛跡検出器で得られたミューオンの位置の周りにΔR = Δη 2 + Δϕ2なる量を定義し，ある ΔR 以内に存在するカロリメータのATLAS と CMS が目指す物理はある意味で共通であるが，エネルギーを足し合わせた。直感的には，もし量が大きす検出器としての設計思想が異なっていて，互いに相補的でぎるとノイズを多く拾い，小さすぎるとシャワーのエネルあると言える。CMS の特徴は 1) 比較的コンパクト，2) 強

ギーの全体を取ることが出来なくなる。この ΔR を色々動いソレノイド磁場(最大 4 T )，さらに 3) 全吸収型電磁カロかして，シャワーの典型的なサイズを調べた(図 3)。
ある ΔRリメータである(図 2 参照)。の値まではエネルギーがシャワーの成分を拾って単純に増加し，そこから先はノイズを拾うのみになる。すなわち変2.2.4 使用したデータとイベントセレクション
解析にあたって用いたデータは 2008 年の宇宙線コミッショニングデータ(CRAFT08)と Monte Carlo サンプルであ曲点のようなものを作り出す ΔR が最適値である。このとき，この ΔR を少し大きくしてもエネルギーの変化はほとんどなく，安定であると予想される。

る。2009 年のデータはちょうど取得している最中で，間に残念なことに期待されたような最適化は出来なかったの合わなかった。より正確には，測定はほぼ終わっていたが，で，比較的それ以降でヒストグラムが安定に見える ΔR = 0.3解析をする時間がなかったのである。

を採用することとなった。

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大まかな傾向は一致しているものの，実はこれらは求めていた結果ではない。ミューオンのエネルギー損失が 10GeV程度なのは，MIP の性質であり，ノイズレベルに隠れてしまっている。Monte Carlo とデータとの一致がよいのは，検出器の性能を適切に Monte Carlo に反映させているだけで，なんら面白いものではない。
本来は図 3 で横軸が 1 周囲，すなわちカロリメータでほぼすべてのエネルギーを落とすイベントを探していたのだ
が，見つからなかったということになる。

図3

各種 ΔR に対するエネルギー損失と運動量の比2.2.6 結論
ここで述べた以外にも多くの解析を行ったが，残念なこあとで再び述べるが，最適化が出来ない原因は欲しい事
象の統計が極めて少なく，S/N が悪いからである。とにノイズ以上のものを見ることは最後まで出来なかった。
大きな問題点として，ミューオンシャワーが期待出来る以上のようなエネルギーの見積もりの下で，データと100GeV 以上の宇宙線ミューオンが，非常に小さい内部飛Monte Carlo を比較した。図 4 はミューオンの運動量のヒ跡検出器を通過する確率が極めて少なく，今回解析したサストグラムであり，図 5 はエネルギー損失を合計してだしンプルのうち数えるほどしかなかったことが挙げられる。

たカロリメータのエネルギースペクトルである。いずれもこのような状態ではまともな解析は難しい。やはり，今まデータ数で規格化してある。

で誰もやっていないだけあって一筋縄ではいかない課題のようである。

3.

CERN での生活

3.1 日々の生活
朝は 8 時くらいに起き朝食を食べ，9 時くらいから研究を始め，昼食，コーヒーブレイクを挟みつつ 6 時くらいに仕事を切り上げるという，日本では考えられないほど健康的な生活を送っていた。一日終わった後の夕食は外国人のSummer Student と席をともにすることが多く，色々なことを話した。
面白いのは，仲良くなる人は大体日本で仲良くなる人と
図4

運動量の比較同じタイプだということで，特に違和感なく生活することが出来た。言葉を除いては，日本にいるのとほとんど変わらなかった。
日本人と聞くと，大概は漫画やアニメの話を振られることになる。私の名前はアニメ映画監督宮崎駿の名字と，アニメ映画「AKIRA」，あるいは「ドラゴンボール」の作者鳥山明の名前と同じなので，その筋の人にはよく名前を認識してもらった。
アニメ好きの友達は特にパリジャンの Driss，メキシコ人の Daniel を特筆せねばなるまい。Driss は今日本で流行の「イケメン」だが，アニメを中心として日本文化に造詣が深く，漫画「NARUTO」の日本語版を鞄に携帯し，宮崎駿アニメを知らない他の外国人達を叱っていた。彼との会話は，

図5

カロリメータでのエネルギースペクトル

私がフランス語で話しかけ，彼が日本語で返し，意味の通じないときだけ英語，という奇妙なものだった。Daniel は

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日本で言うアニメオタクの典型に近い。ネイティブ・オタ
クである私すら知らないアニメの話題を振られたときは少々焦った。
何もアニメオタクだけと話していたのではない。ベトナ
ム出身だがドイツに留学中という，面白い出自の Khoi が毎

3.3 余暇日本とは違い，CERN には余暇の概念が存在する。週末は疲労困憊でない限り，大抵どこかに繰り出していった。

CERN までの飛行機代を考えると，遊ばなければかえって損という計算である。

日ポテトしか食べない(ジャーマンスタイル？)のでからか最初の週末にパリへ行った。その次はジュネーブの町へうと，反撃に口癖の“Jesus”を連発。発音が英語じゃないポー繰り出し，次はツェルマット(マッターホルンの麓町)。スランド人の Lukasz とは，お互いのコミュニケーションすらイス・ナショナルホリデーの週末はインターラーケン，ラ出来ないにもかかわらず近くのショッピングモールに出かウターブルンネンの谷間で過ごした(図 6)。ナショナルホけ，なぜか非常用通路に閉じ込められる。ダンスパーティ

リデーを祝う花火が谷間にこだまし，さながら雷のようなでは性格が豹変するイタリア人の Emanuele とは，Cabibbo轟音であった。首都ベルン，シヨン城，ローザンヌにも行っ話で盛り上がった(イタリアには Gabibbo というキャラクた。

ターがいて，それにノーベル賞を与えるのはどうか云々)。

最後の週は一人でジュラ山脈の最高峰へ。登山口が分か研究生活に関してはイタリア人の Andrea，スペイン人のらなかったので 3 時間ほど自転車でさまよい，いざ見つけDavid，Santiago という同僚に恵まれた。解析対象が異なってからは，片道二時間半のところ，登りを二時間，下りをたため，それほど研究上の接点があったわけではないが，一時間で走りきった。筋肉痛が日本に帰国後も続いていた

CMS グループの BBQ に参加したり，最後に別れの杯をかのは，いうまでもない。

わすなど，生活面でのつながりが多かった。特に Andreaとは赤ワイン仲間である。彼に言わせると白ワインとロゼは女性専用なのだそうだ。
フランス人の Gabriel と Nicolas の主催していたフランス語講座にも顔を出した。私の第二外国語はフランス語だったので，文法に関しては思い出すだけだったが，強烈な思い出が一つ。Gabriel は動詞の活用に elle(彼女)しか使わない。日本では逆に il(彼)で代表するのが普通。曰く「彼女しか使わない(使いたくない)」らしい。流石はフランス人だと思った。

3.2 講演会

図6

山登り(中央が筆者)

Supervisor の Maria が CERN での seminar の主催者代表をやっていた関係で，7 月に二つの seminar を聞く機会に恵まれた。一つは Fermi-LAT，もう一つは CDMS の結果発表

4.

今後の抱負であり，ともに興味深いものだった。特に後者は，当時 phonon

今回のプログラム参加を通して，色々なことを学んだ。

検出器に興味があったことから，とても面白く聞くことがまず英語力のなさを痛感した。よく言われるのが，日本人出来た。Seminar 参加者にはコーヒー一杯と，時にはクロは文法は出来る，というものだが私は逆で，特に文法が出ワッサンが無料で支給されたのは有り難かった！

来ない。というか合理性が見いだせないので積極的に忘れその他にも有名な物理学者の講演を聴くことが出来た。

るようにしていたのだが，会話においては語彙と文法さえ何をおいても，かの S. Weinberg の講演を，前から三つ目あっていれば何とかなるのである。
言葉に関して続けると，の席で聞けたのは非常に貴重な経験であった。相当なお年

CERN にいた彼らは第三外国語が話せることなど常識であっであるにもかかわらず，講演の内容は洗練されかつ極めてた。自国語＋英語＋もうひとつは最低限。一方私の第二外高度で，始まって 5 分でついていけなくなったのはよい思国語であるフランス語力は辞書があれば本が読めるレベルい出である。

で，会話に関しては挨拶と極めて簡単な文の構成ができる残念なのは，ちょうど私が帰国した直後に S. Hawking が程度であった。この辺りは深く反省しなければならない。

来たことである。Maria 曰くその前の週に風邪をひかれて物理の研究に関しては，まず働き過ぎはよろしくないこいたそうだが，講演は無事行われたのだろうか。とだと痛感した。日本にいるときは，長時間研究に没頭して結果として生活習慣が乱れ，体調を崩すことが多々ある。

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今後はなるべく CERN での生活を思い出し，節度ある研究を心がけたい。
せっかくできた海外の友人たちとも，メールのやりとりなど，交流を続けたい。Driss は彼のフランス語でのコンファレンス資料を日本語訳して送る，とメールで言っていたが，はたしていつ届くことだろうか。いざ連絡をとっても，アニメや漫画の話ばかりになるかもしれないが…。

5.

今後このプログラムへ望むこと

CERN での研究が，必ずしも最初望んだ形にはならないのがこのプログラムの特徴である。物理志望のはずが，エンジニアリングのみのグループに配属されたりする。その他にも，supervisor が vacation で長期間不在など，夏期休暇ならではのハプニングもある。
私の場合は，研究対象は問題なかったのだが，肝心のsupervisor が産休であった。そのため，滞在前半は supervisorに会えず，本来の研究に専念出来ていなかった。その代わりに，他の Summer Student の supervisor にお世話になったが，多数の supervisor 間での情報の行き違いに困ることもしばしばあった。
しかし，このような不測の事態それ自身が，このプログラムの醍醐味であり学ぶべきことの多い点なのかもしれな
い。ただの研究なら日本でも出来る。それとは違う何かがあるから，このプログラムが得難いものとなっている。今後も同様の形でこのプログラムが継続していけばよいと思う。