156■談話室

CERN Summer Program Report
京都大学大学院 原子核ハドロン研究室

冨 田夏 希natsuki@scphys.kyoto-u.ac.jp
2010 年 10 月 28 日
CERN で毎年夏におこなわれている大学生向けサマープ

この効果により，半導体などの結晶中での不純物の位置ログラムに，日本から KEK のご支援により参加してきまを調べることができる。私の属した研究室では，ISOLDEした。2010 年 6 月 28 日から，9 月 4 日にかけての 10 週間のビームによって，調べたい不純物の同位体を結晶中に入にわたる活動を報告いたします。

れ，出てくる放射線の強度を検出器で調べている。

1 活動内容1.1.2 検出器
私が扱うことになった検出器は TimePix と呼ばれる，シ1.1 研究課題
プログラムのメインである研究課題では，サマースチュー
デントが CERN の一つの研究室に配属となり，課題を与えられる。私は ISOLDE と呼ばれる原子核の研究をおこなっているグループで固体物理の研究をしている，ポルトガル人の研究室に配属となった。

リコンピクセル検出器である。図 2 はフランジにとりつけられた TimePix の写真である。一つのピクセルのサイズは縦 55 mm ´ 横 55 mm ´ 奥行き300 mm で ， 全 部 で 512 ´ 512= 262,144 個のピクセルから成り，位置だけでなくエネルギーも測れるようになっている。

その研究室では，放出チャネリングと呼ばれる現象を用いて，結晶中での不純物の位置を調べる研究をおこなっており，私の課題は，その研究に新しく採用する検出器の，位置分解能の評価をおこなうことであった。
1.1.1 放出チャネリング
チャネリングとは，放射線が結晶を通りぬける際，結晶原子のポテンシャルを受け，放射線が一定の方向にだけ通り抜けやすくなる現象をいう。中でも放射線を出す同位体を結晶中に埋め込み、放射線がチャネリングの効果を受けて出てくる場合を放出チャネリングと呼ぶ。図 1 は放射線

図2TimePix

TimePix のシリコン部分のサイズは 2.8 cm ´ 2.8 cm である。

が電子の場合の模式図である。四角が放射線源を表し，大きい丸が格子上の原子を，小さい丸が格子間を表している。

現在研究室で使っている古い検出器のピクセルサイズは左図の様に，放射線源が結晶の格子上にある場合は，結晶縦 1200 mm ´ 横 1200 mm であり，TimePix を使えば位置分の格子方向に電子の強度が増し，右図の様に，放射線源が解能を飛躍的に向上することができる。しかし，TimePix格子間にある場合は強度が下がるのである。にはピクセルが小さすぎるが故の問題点がある。チャネリ
ング放射を利用するような低エネルギーの電子は，一つのピクセルをヒットした後，検出器の中で散乱され，複数のピクセルをヒットしてしまうのである。そしてヒットされた複数のピクセルは，図 3 の様なクラスターを作る。TimePixは 1 秒ごとにヒットしたピクセルを記録するので，複数のヒットされたピクセルのうち，どれが最初にヒットされたピクセルなのか区別がつかない。私が担当教官から与えられた課題は，電子が散乱されてできたピクセルのクラスター

図1

電子の放出チャネリングの模式図

左：放射線源が格子上にある場合

右：格子間にある場合の中から，最初にヒットしたピクセルを見つけることであった。

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図3

ピクセルのクラスターの例

1.1.3 位置分解能

図5

位置分解能は，ピクセルが反応する確率を P (x ) ，平均のSrTiO3 中の Sr の結晶構造

Sr は立方構造をしている。

位置を m として，標準偏差s=ò P(x )(x - m) dx2で定義できる。

TimePix の場合， P (x ) は，図 4 の様な階段関数となるので，代入してやると，一つのピクセルをヒットした場合の位置分解能は， s = 16 mm と求まる。
同様に計算してや ると ， 古い検 出器 の 位置分解能は400 mm, 直径 1mm の放射線源のビームの位置分解能は290 mm である。

図６

SrTiO3 中の 89 Sr からの channeling b -図 5 を正面から見た場合に相当する。立方構造が見える。

図4

1.1.5 課題

TimePix の１ピクセルが反応する確率のグラフ

担当教官が帰ってきて，まず最初にヒットしたピクセル中心を 0 と置いた。

は図 7 の様にクラスターの中で端にあるピクセルだろうと1.1.4 プログラム

いう考察のもと，端のピクセルを選び取れるようにプログ

TimePix のデータの解析用に，研究室の博士課程の学生ラムの改良をした。さらに端として選んだピクセルの中かが作った，C++のプログラムが用意されていた。私はそれらエネルギーが最大のもの，最小のもの，を選び取れるよまで C++にあまり触れたことがなかったため，担当教官がうにした。担当教官はこれでうまくいくだろうと期待してバカンスへ行った最初の 3 週間は C++の勉強をし，数十個いたようだが，図 8 のように，この方法はうまくいかなかっのファイルからなる解析用プログラムを読めるようになった。うまくいかなかった一番の原因としては，262,144 個のた。

ピクセルの中で，反応しないピクセルが約 2,000 個あり，私の解析用には，SrTiO3 の結晶中に 89 Sr を埋め込んだ場合のデータが用意されていた。 SrTiO3 中の Sr は図 5 のように立方構造をしている。 89 Sr は Sr の同位体であるので，Sr の 格 子 上 に 埋 め 込 ま れ る 。 よ っ て

89Sr 

89

Y+b

その反応しないピクセルを通った電子は，図 9 の様に別々のイベントだと判断され，反応しないピクセルの周りのピクセルが偽の端となってしまう点であった。

--(t = 50.53 days) の反応で出てくる b は， Sr の格子の方向から見ると強度が増す。図 6 が Sr の格子の方向から測定したデータをプログラムで解析したものである。中心で大きく強度が増しているのが分かる。また，今見ている方向以外でも格子の面に沿って電子が通り抜けやすいので，それぞれの格子の面に沿って 45 ずつ太い線が見え，さらにそ図７ クラスター中の“端”のピクセルの間にも，次に通り抜けやすい面による，細い線が見える。

★の中からエネルギーが最大のもの，または最小のものを選ぶ。

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図 11

大きいクラスター中でのエネルギー分布

約 70 % のクラスターは“端”でエネルギー損失が大きい。二つのクラスターがくっついて，一つのクラスターとして数えられている可能性もある。
図8

クラスター中で端のピクセルを選んだ場合の図

反応しないピクセルのまわりでカウントが増えている。

次にクラスターサイズの分布を調べた。その結果，図 12の様に，4 個以上のピクセルからなるクラスターの数は指数関数的に減少していることが分かった。クラスターのサイズごとの割合を示したのが表 1 である。クラスターサイズの指数関数的減少は，まだ誰にも説明のつかない新発見だよ，と担当教官に言われ，嬉しかった。

図9

反応しないピクセルによる問題★の位置が偽の”端”だと判断されてしまう。

1.1.6 解析担当教官の考えた方法がうまくいかなかったので，それからは自分で色々と考えて解析をしてみた。私の使ったプログラムでは，各ピクセルのキャリブレーション後のエネ

図 12

ルギーの値は取り出せないような構造になっていたのだが，指数関数的に減少している。

同じ研究室に配属された，TimePix のエネルギーキャリブ

表1

クラスターサイズの分布

クラスターサイズの割合

レーションが課題のサマースチューデントが，キャリブレー信号を出し続ける壊れたピクセルがあるので，クラスターサイズション後のエネルギーのデータを取り出すプログラムを作っが 1 のものは省いてある。てくれ，クラスターの中のエネルギー分布を調べることがクラスターサイズできた。その結果，同じ形の小さいクラスターを比べると，

2553.6%

図 10 の様に，小さいクラスターはエネルギー分布に規則性

2  1084.0%がなく，最初にヒットしたピクセルを見つけられないこと，2  1594.5%

また，図 11 のように，大きいクラスターでは多くのクラスターの端でエネルギー損失が大きいものの，損失が大きい
ところが最初にヒットしたピクセルなのか，最後にヒットしたピクセルなのかは，このデータだけでは分からない，ということが分かった。

割合

最後にクラスターの幅の分布を調べた。図 13 の様にクラスターが 10 個のピクセルからできているといっても，縦，横の不確定性が 55 mm ´ 10 ある訳ではない。クラスターの幅を調べるプログラムを作り，分布を調べた結果が図 14 である。図 14 から，10 個のピクセルからなるクラスターの幅の不確定性はおおよそ 6 ピクセル分以下であることが分かった。

図 10

同じ形の小さいクラスター中でのエネルギー分布エネルギー分布に規則性がないことが分かる。

図 13クラスターの幅どちらも 10 個のピクセルからなるクラスター。

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1.2 授業授業は 6 週間にわたり，検出器の話から標準模型を超えた理論まで，プレゼン形式でおこなわれた。
さすが LHC が稼動しだした年ということで，LHC 関連の話が多く，取れたてほやほやの，W ボソンや t クォーク候補のデータなども出てきた。
図 14

クラスターの幅の分布

10 個のピクセルからなるクラスターの場合。

また，何人もの先生が，自分もかつてはサマースチュー
デントで，プログラムに参加した夏は生涯でもっとも素晴らしい夏だったと言っていたのが，とても印象的であった。

1.1.7 まとめ

1.3 ワークショップ

以上の解析から，各クラスターサイズごとの最大の幅を早い者勝ちで一つ選べるワークショップでは，私は CMS求め，位置分解能を計算すると，TimePix の位置分解能はなどで使われている，シリコン検出器の開発をしている研

表 2 のように評価できることが分かった。

究室のワークショップを選んだ。シリコン検出器といっても，研究室間で完全に研究の分担がされているヨーロッパ

表2

TimePix の位置分解能とあって，ひたすらシリコンに欠陥ができないようにする

小さいクラスターサイズのイベントだけを見れば，不純物のビーということだけを研究している研究室であった。参加者はムサイズや古い検出器の分解能に比べて，よい分解能が得られる。

私以外イギリス人で，英語についていくのに一苦労であっクラスターサイズ

割合

最大幅

位置分解能

16 mm
48 mm
79 mm
143 mm
290 mm
400 mm1******

252  10
2  1553.6%
84.0%
94.5%

3 ピクセル

放射線源のビームサイズ

***

***

古い検出器

***

***

6 ピクセル
9 ピクセル

たが，説明のあと，その場でデータを取って比較をしたりと，分かりやすく，非常に面白かった。
また後日，シリコン接着工場と呼ばれる，数十 mm 間隔の細いストリップ電極を持つシリコンセンサー同士を並べて，互いのストリップ間を細いワイヤーを用いてミクロンの精度で接続(ワイヤーボンディング)するために建設された工場の見学を企画してくれた。実際にボンディングの機械が動くところを見せてもらい，興味深かった。

この評価から，割合の少ない，大きいサイズのクラスターのデータを使わなければ，放射線源のビームサイズや古い検出器に比べて，十分よい分解能が得られることが分かった。
実際の研究で使われるであろう検出器で，今後の役に立つ評価ができたのはとてもいい経験になった。担当教官は私にもっと働いて欲しそうで，博士課程はぜひうちの研究室へおいでといわれ，とても嬉しかった。

1.4 見学会
サマースチューデントチームが提供する実験施設の見学
会は，本年度は ATLAS のエキシビションと SM18 というビームパイプのテスト工場，コンピューターセンターとLINAC であった。
どれも解説付きで面白かったが，LHC が稼動しているとあって，検出器までは見学できなかったのが残念であった。

2 生活
1.1.8 発表

2.1 交流ISOLDE では毎週ミーティングがあり，サマースチュープログラムには世界中の本当にたくさんの国々から学生

デントは滞在の最後の週に，自分の研究課題の成果を発表が参加していた。それまで自分の中ではあまり基礎研究をすることになっていた。大勢の外国人研究者の前で，英語しているイメージのなかった南アフリカやベトナムからもでうまくプレゼンテーションができたのはとても貴重な経参加者がいて少し驚いた。
地理で習う国というイメージだっ験になった。しかし，用意してきたことはスラスラ喋るこたバルト三国の友達もできた。
ホステルのキッチンで集まっとができるが，発表後の質疑応答で，質問されている意味て，手巻き寿司をごちそうしたり，逆に出身国の料理をふとそれに対して答えたいことが，頭の中では分かっているるまってもらったり，なんでもないのに夜遅くまでしゃべっのに，うまく英語で表現できなかったのが非常にもどかしたりと，色んな国の人が集まっているならではの，交流がかった。

できた。日本に帰国してからも，ネットを通じて交流を続けている。

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2.2 語学2.5.1 CERN 見学

プログラムへの参加が決まってから，渡航するまでの数ヶ3 日に分けて，CERN の施設をほとんどめぐった。滞在

月は，英語のリスニング・スピーキング，それから CERN

中 CERN から渡される ID カードで，ほとんどの建物に入のあるジュネーブがフランス語圏ということで，学部のとることができた。

きに第 2 外国語で学んでいたフランス語を勉強した。けれ最初に巡った CERN の第 2 のサイト，プレバッサン地区

ども実際渡航してからはほとんど役に立たず，授業も，食では，COMPASS 実験や，LHC のコントロールルームなど堂のレジのおばちゃんがフランス語で言う値段も，最後まを見学した。COMPASS では，最初勝手に入っていいのかで聞き取れないところがあった。

分からず，周りをウロウロしていたところ，シフトのおじ

1 ヶ月が過ぎた頃は，自分の英語の上達のしなさに愕然ちゃんが声を掛けてくれて，丁寧に実験の説明までしていとしたが，7 週目のある日，英語・フランス語・ポルトガいただいた。また，LHC のコントロールルームでは，初めル語がペラペラな，同じ研究室のサマースチューデントが，てビームが出たときに祝杯をあげたシャンパンの空瓶がた「Did you went there ?」と言っていたのを聞いてふっきれ，くさん飾ってあったのが印象的であった。また偶然に，ケ文法をあまり気にしないようにしたら，そこからあまりつネディ宇宙センターに運ばれる直前の，箱詰めされた AMSまらずに話せるようになった。中学のテストだと 20 点くらも見ることができた。

いしか取れないような文法の英語だったかもしれないが，CERN のメインサイト，メイラン地区では，自分の所属CERN の中で英語が母国語の人はほとんどおらず，お互いした ISOLDE をはじめ AD，n_TOF などを巡った。メイ

間違いに気づかないまま喋っていることも多く，文法にこランでは今は使われていない加速器の跡などもあり，歴史だわりすぎず，思っていることをすぐ口に出せるようになを感じた。

るのも大事だと思った。

2.3 ホステル
ホステルは CERN のホステルの中で一番値段の安い，サンジェニのホステルであった。着いた日は，便座のないトイレや，なぜか部屋の中をはしる水道パイプの騒音，網戸がないため，寝ていると顔に飛んでくる得体の知れない虫などが気になって，こんなところで 2 ヶ月も暮らせるのか，と思ったが，2 週間もすると慣れ，水道がうるさかろうと，虫が飛んでいようと，気にならなくなった。
（トイレは違う階に便座があるのを発見した。）

2.4 食事
食事は CERN の食堂か，近くのスーパーで買ったものを食べた。最初はどれも新鮮で美味しかったが，1 ヶ月もすると飽きて，日本食が恋しくなった。何度か日本食の自炊も試みたが，食材が違うためか，ちっとも美味しく作れな

LHC の四つの検出器も，半日かけて自転車で全部めぐっ
Google の航空写真で CERNた。場所が分からなかったので，のサイトのものと同じ形の建物を探す，というなんとも原始的な方法で道を決めたが，迷うことはなかった。最初に行った LHCb で，重く閉ざされた敷地への扉が，自分の IDカードで開いたのにはちょっとした感動を覚えた。LHCb
から CMS へは，途中の町で見つけたマクドナルドで休憩をはさみつつ，ひたすら坂道を登った。CMS ではこんなところまでわざわざよく来たねと言わんばかりに，コントロールルームのシフトのおじちゃんが記念写真まで取ってくれた。CMS から ALICE までは下り坂で，とても気持ちがよかった。よく晴れた日で，途中の開けた道ではモンブランやジュネーブ名物のジェットまで見渡せ，とてもよいサイクリング日和であった。どこも検出器は見ることができな
かったが，コントロールルームやエキシビションなどは見ることができて，とても楽しかった(図 15)。

かった。日本人のサマースチューデントと，日本食材の店で買った冷凍餃子や漬物など美味しい美味しいと食べたのはいい思い出である。
スイスならではとしては，スーパーで買ったチーズや 1リットル 100 円の自動販売機の牛乳など，乳製品は安くてどれも美味しかった。
一度奮発して食べに行ったチーズフォ
ンデュもとっても美味しかった。

2.5 休日
全部で 9 回の週末があったが，せっかくスイスまで来て，部屋にこもっているのはもったいないということで，ほとんどの週末はどこかに出掛けた。

図 15

ヒマワリ畑に浮かぶ CMS の建物とモンブラン

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2.5.2 観光

3.2 女性研究者の環境

スイスの鉄道半額パスを購入し，観光にもたくさん出掛

CERN には日本よりはるかに多くの女性研究者がいましけた。時に日本人のサマースチューデント同士で，時にロた。CERN の敷地内には保育園があり，昼休みには食堂にシア人と，時にトルコ人と，時には一人で出掛けた。ジュ

用意されている子供連れのコーナーで，両親揃って子供とネーブ，ローザンヌ，エビアン，モントルー，ベルン，イ

食事をとっている姿も多く見られ，非常に恵まれた環境だ

ンターラーケン，ルツェルン，チューリヒ，ツェルマット，なと感じました。また夕方 6 時頃にはみんな仕事を切り上

シャモニ・モンブラン，イタリアのミラノなど，電車で行げて帰るという文化も，育児をするにはうってつけで羨まけるおもな街はめぐったように思う。

しく思いました。

中でも 1 泊 2 日で出かけたツェルマットはとてもいいところで，2 日ともよく晴れ，マッターホルンや氷河などを3.3 今後のプログラムについて拝むことができた(図 16)。また，ミラノへ行く際は，イタCERN のサマープログラムは非常に優れたプログラムだ

リア人のサマースチューデントが，予約の困難な絵画，最と思います。そしてプログラムで経験したことは，間違い後の晩餐の見学の予約をしてくれて，運よく見学することなくスイスまで来ないことにはできなかったことだと思いができた。

ました。予算の確保が難しい状況ではあると思いますが，滞在期間を短くしてでも，なるべく多くの学生を今後も派遣し続けていただければと思います。
また，行きの飛行機がプログラムの始まる前日の夜到着の便でしたが，可能であれば，他のヨーロッパからの参加者の様に，1 日以上前に到着の便にしていただけたらと思います。
ヨーロッパは夜にあまりお店がやっていないので，生活用品や食料を自分で用意しなければならないサンジャニのホステルでは，着いた翌日のプログラム初日の手続きがすべて終わるまで，自分で食料などを手に入れることができませんでした。

図 16

4 おわりにツェルマットにて，さかさマッターホルンとともに10 週間にわたり，本当に貴重な経験をさせていただきま

3 プログラムで感じたことなど
3.1 配属先についてした。CERN の環境も周りの仲間も，このサマープログラムでしか味わえないとても素晴らしいものでした。研究においても，語学においても，生活においても，それぞれ本CERN に応募する際は，せっかく LHC が動き出したと当に多くのことを吸収できました。帰る際には CERN を離いうことで，LHC 関係の課題研究を希望しましたが，残念れるのが非常に名残惜しく，また将来，CERN に帰ってこながら叶いませんでした。けれども，自分で検出器を巡っられるような研究者になろうと思いました。

たり，食堂に出ている LHC のコンディションモニターを毎最後になりましたが，このような素晴らしいプログラム日見たりして，LHC の動いている CERN の雰囲気を十分に日本から参加できるよう，尽力してくださっている先生味わうことができました。

方並びに KEK の皆様，本当にありがとうございます。ままた，大きな実験に配属されると，解析のほんの一部にた，滞在中は駐在の福田さんを始め，日本アトラスグルーしか関われないこともありますが，規模の小さい実験に配プのみなさん，東大早野研のみなさんに大変お世話になり属になったおかげで，解析すべてに関わることができ，まました。ありがとうございました。

た今後その研究室において，実際に役に立つ研究に関われたので，その点においてとてもよかったと思います。

このサマープログラムで経験したことを，今後少しでも日本の物理業界へ還元していけたらと思います。