270■研究紹介

LHC 実験始動
東京大学 素粒子物理国際研究センター

小 林

富 雄

tomio@icepp.s.u-tokyo.ac.jp
2010 年 2 月 26 日

1.

はじめに

2009 年 11 月 23 日，CERN の LHC 加速器は初めての陽子陽子衝突に成功し，その瞬間を長らく待ち望んでいた 4粒子の探索領域をどんどんせばめつつある[5]。こういう状
況での LHC 実験開始となったわけであるが，今後予想される LHC 運転とヒッグス粒子をはじめとする新粒子，新物理の発見の展望についても簡単に触れてみたい。

つの実験(ATLAS，CMS，LHCb，ALICE)も見事に衝突事象をとらえた。この時点では，まだ LHC での加速は行わない重心系エネルギー 900GeV での衝突であったが，その2.

LHC 加速器ヘリウム流出事故からの復旧

後 12 月に入り，Tevatron を超える 2.36 TeV での衝突にも世界中の報道が注目するなかで大成功をおさめた 2008

成功し，世界最高エネルギーのコライダーLHC がいよいよ

年 9 月 10 日の first beam circulation と 9 月 19 日のヘリウ始動した。

ム流出事故。これはまさに CERN での研究が一つの題材とこれをさかのぼること 9 年前の 2000 年 11 月 2 日，同じ
トンネル内に設置されていた LEP 加速器が，12 年にわたる運転を終えた。この年ヒッグス粒子生成の兆候が強まってきていたが，CERN は苦渋の決断をもって LEP 運転を打ち切り，直ちに LHC 建設へと舵をきったのである。(LEPもなっている最近の映画「天使と悪魔」のタイトルをほうふつとさせる出来事であった。19 日の午前中，筆者は ATLAS
実験のある委員会に出席していたが，11 時 20 分過ぎ頃

Technical Coordinator の Marzio Nessi のもとに連絡が入り，多数のマグネットがクエンチを起こしたとのこと。知らせ

終了の経緯については，山下了氏による高エネルギーニューを聞いたある委員の「That’s serious!」のひと言が今でも忘ス記事[1]に詳しく書かれている。）この時点では LHC の完

れられない。

成予定は 2005 年としていたが，その後建設費の約 20% の不足や，衝突点付近のビーム収束用四極マグネットの事故

2.1

LHC 加速器の概要

やビームパイプ内側のビームスクリーンを接続する

ここで，まずは LHC 加速器の概要を述べておく。LHC

plug-in-module の折れ曲がり問題などで約 3 年の遅れが生(Large Hadron Collider at CERN)計画全体についての最近じた。ようやく CERN 所長 Robert Aymar 氏の任期最後のの解説記事としては，日本物理学会誌 2007 年 12 月号に小年 2008 年 9 月 10 日に first beam circulation にまで持ち込

特集としてまとめられているので，こちらをご覧いただきんだのもつかの間，その 9 日後に発生した大量のヘリウム

たい[6]。LHC 加速器は，陽子を 7 TeV にまで加速して正面流出事故により，さらに 1 年以上もの時間が復旧，事故対

衝突させる加速器で，これにより TeV 領域の物理を初めて策，再調整についやされることになった。事故調査と復旧

直接見ることが可能になる。

計画立案までは，近藤敬比古氏による高エネルギーニュー

表 1 に LHC 加速器の主要パラメータをまとめた。

ス記事[2]に詳しく報告されているので，私は実際の復旧作業からビーム衝突実験開始にいたるまでの経緯について報告する。

LEP でのヒッグス粒子の解析結果は，最終的には当初いわれていたより significance が下がり，ALEPH 実験のみ

115GeV 付近の質量のヒッグス粒子生成を 3s と報告しているが[3]，他の 3 実験には有意な兆候は見られていない。4
実験合わせた質量下限値は 114.4 GeV(95%C.L.) である[4]。
その後ヒッグス粒子探索の中心は Fermilab の Tevatron へと移ったが，LHC 実験開始の遅れもあり，すでにヒッグス

表1

LHC 加速器の主要パラメータ(陽子陽子衝突)

主リング周長26.7 km

陽子ビームエネルギー

7 TeV

ルミノシティ

1034 cm-2 s-1

主超伝導双極マグネット

8.33 T ，1232 台(1 台の長さは 14.3 m )同マグネットに蓄えられるエネルギー

7.8 MJ (1 台当たり)

バンチ当たりの陽子数

1.15 ´ 1011

バンチ数，衝突間隔

2808，25 ns

ビームに蓄えられるエネルギー

362 MJ（片方のビーム当たり）

271
LHC では陽子陽子衝突だけでなく，重イオン同士の衝突

1) セクター34 のパワーテスト中，電流が 8.7 kA ( 5.15 TeVも可能である。LHC 加速器は LEP 加速器のために作られ相当)に達したところで，超伝導マグネット間をつなぐたトンネル内に据え付けられている。LHC リングは 8 つの超伝導ケーブルの接合部で抵抗領域が発達した。

セクターに分けられており，そのうち 4 つのビーム衝突点

2) 電源はトリップし，電流減少が始まったが，最初の 1 秒

1，2，5，8 には主要な 4 つの実験 ATLAS,

ALICE, CMS,

LHCb が設置されている(図 1)。LHC 加速器の最も重要なエレメントは，主リングの bending 用超伝導双極マグネットである。このマグネットは，二本のビームパイプを一つの鉄ヨークの中に埋め込んだ一体型の，いわゆる two-in-oneの構造を持つ(図 2)。ニオブチタンの超伝導線を超流動ヘで電気的アークが発生した。
3) このアークでヘリウム容器に穴が開き，断熱真空容器の中へ液体ヘリウムが漏れ出した。
4) 3 秒後にはビームパイプの真空が劣化。
5) 約 100 台のマグネットのクエンチ検出器が動作し，ヒー

リウム温度 1.9 K に冷却し， 11.85 kA の電流を流すことにタートリガーによるクエンチを発生させた(これは正し

より， 8.33 teslas の高磁場を達成する。このとき 1 台のマい動作である)。

グネットに蓄えられる電磁エネルギーは 7.8 MJ にものぼる。

6) 真空容器内の圧力が，流失したヘリウムにより急上昇。

このエネルギー
このマグネット 1 台の重さが 26トン なので，安全弁が働き，
ヘリウムをトンネル内に放出したものの，はマグネット自体が時速 88 km で動いているときの運動エ

圧力上昇に追い付けないところがあり，真空障壁に大きネルギーに相当する。このこれまでの加速器にはない膨大な力がかかり破壊された。
この結果，いくつかのマグネッ

な蓄積されたエネルギーこそ，今回の事故被害を大きくしトが物理的に動かされ，一部ではコンクリート床のアンた第一のファクターなのである。

カーが破壊された(図 3)。

図3破壊された真空障壁とアンカー

7) １セクター全体で 15 トンあるヘリウムのうち，6 トンのヘリウムがトンネル内に流出した。
8) ビームパイプ内も 4 km にわたってスス状の塵による汚
図1

LHC リングと LHC の主要 4 実験

れが広がった。
となる。合計 53 台のマグネット(双極マグネット 39 台，四極マグネット 14 台)が修理および検査のため，地上に運び出されることになった。
そもそもの原因は，マグネット間をつなぐ超伝導ケーブ
ル接合部の splicing 不良によるものである。
このようなケーブル接合部はリング全体で 10,000 ヵ所以上あるが，この接合部の抵抗は 0.5 nW 以下であることが要求されている。その後の調査により，問題の接合部の抵抗は約 200 nW だった
ことがわかり，おそらく接合部をハンダ付けする際にハンダ板を入れ忘れたものと推定されている。この問題に対処

図2

LHC 主リングの超伝導双極マグネット

2.2 ヘリウム流出事故から復旧へ
2008 年 9 月 19 日に発生した出来事１については，近藤氏の報告[2]に詳しいが，要約すると，
１

CERN はこのヘリウム流失事故のことを accident ではなくする最初の方策は，接合部の抵抗異常をいち早く検知することである。熱的計測による方法や感度のよい新たな電気的計測方法が導入され(約 1nW の精度)，これらを用いて全incident と呼んだ。このへんの言葉のこだわりは，その後の事故調

査における情報公開のしかたにも表れているように感じられたが，各国政府代表者を招待しての LHC 完成記念祝賀会を 10 月 21 日に予定していたことなどへの配慮があったかもしれない。

272
接合部についてシステマティックな検査を行った結果，こ強・増設することなどによるものである。また，CERN でのような異常抵抗を示す接合部はマグネット間では見つかは通常電気代の高い冬季は加速器の運転は行っていなかっらなかったが，マグネット内部の接合部で 2 ヶ所抵抗異常

たが，長いシャットダウンを入れずに連続運転することで，が見つかった(セクター12 で100 nW，セクター67 で 50 nW )。

加速器運転の経験を積むとともに，実験グループが物理結

これら 2 台のマグネットも交換された。地上に持ち出され果を出すために十分なデータを確保しようというものであた 53 台のマグネットのうち，16 台は修理して再使用し，る。

37 台はスペアのマグネットと交換された。最後のマグネッビームエネルギーに関しては，クエンチトレーニング問

トがトンネル内に戻されたのは，2009 年 4 月 30 日であっ題(近藤氏の報告[2])が未解決ため，安全と運転効率を考慮た。

して 5 TeV での運転はやむをえない判断である。この問題

さて今回の事故のもう一つの要因は，いうまでもなく大は，2008 年の運転開始以前に，事故が起きたセクター34

量の液体ヘリウムの存在である。これが蓄積された膨大な以外の 7 つのセクターでハードウェアコミッショニングをエネルギーと隣接しており，LHC の運転中は常時大変に危行い， 5.5 TeV までのパワーテストを行った結果，すべて険な状態にいるわけである。これがクエンチ→アークといの超伝導マグネットはクエンチなしに 5.3 TeV まで達する

う導火線により爆発をおこしたようなものであるが，事故ことができたが， 5.5 TeV までに 1 回起き，それより高くの二次被害をこれほどにまで広げたのは，流入したヘリウ

すると急激にクエンチ数が増えると見積もられたことであムによる真空容器内の圧力上昇を逃がすための安全バルブ

る。詳しく調べられたセクター56 の結果にもとづく見積もの容量不足であった。この対策もただちにとられた。既設りでは，6 TeV までに 11 回，6.5 TeV までに 84 回，7 TeV

バルブの容量増強と，
これまでは SSS(Short Straight Section，までにはなんと  1000 回ものクエンチが起こると推定され四極マグネットや補正マグネットなどを内蔵する)にのみ付た。すべてのマグネットはトンネル内に設置される前に地けていた圧力解放バルブをすべての双極マグネットにも取上でテストされ， 12.85 kA ( 7.6 TeV 相当)までトレーニン

り付けることにした。しかしバルブの増設には，セクター

グされていたのであるから，これは大きな驚きであった。

を常温に戻して作業しなければならないので，2009 年の運LHC マグネットを分担して製造した 3 社のうちの 1 社にト転再開までには 4 つのセクターでの増設を行い，残りの 4レーニングの記憶を忘れるものが集中している傾向があり，つは次の長期シャットダウン中に行う予定になった。

また小統計にもとづいた推定ということもあり，原因究明と対策は今後の重要課題である。

2.3 シャモニー加速器ワークショップ
2009 年 1 月から新しく CERN 所長に Rolf Heuer 氏が就

2.4 復旧後半戦任した。新所長は，2009 年中の LHC 物理実験スタートを

真空障壁を備えた SSS をコンクリート床に固定するアン

最優先とすること，シャモニー加速器ワークショップの復カーの補強工事や，ススで汚染されたビームパイプの掃除

活，情報公開などの所信を年頭に表明した。このシャモニーなどを終え，マグネットの冷却も近々始められるかと期待

ワークショップは，LEP の頃は毎年 2 月頃開かれていたもしていた 5 月末頃，超伝導線の結線部分での新たな問題浮のであるが，Heuer 氏は当時 OPAL 実験スポークスパーソ

上のニュースが伝えられた。

ンとして，この会議の重要性を認識していたものと推察さクエンチが起こった場合に超伝導線を流れていた電流をれる。早速 2 月の第一週に開催され，事故の原因調査，そ逃がすために，超伝導線のまわりを銅の安定材 (copperの修繕，再発防止策など様々な議論が展開された[7]。これ

マグネット間の結線部分では，
stabilizer)で取り囲んでいる。

を受け，翌週 Heuer 所長は LHC 再開のスケジュールを発

超伝導線同士はもちろんのこと，銅の部分の接合も正しく表した[8]。その概要は，行われていなければならない。そうでない場合，近くのマ• 9 月末にビーム入射開始，10 月後半からビーム衝突

グネットでクエンチが起きた時，大きな電流が超伝導状態• クリスマス休みの短期間を除き，2010 年秋まで連続運転

ではなくなった超伝導結線部分を流れることになり，熱でする• ビームエネルギーは 5 TeVというものである。前年 12 月の理事会で報告された，6 月
末までに加速器の冷却を完了させるという予定からは，
2  3 ヵ月遅れとなったが，これはおもに，クエンチを確実に検知するモニター装置を新たに設置すること，および二次被害を最小限に食い止めるための圧力解放バルブを増

この部分が溶かされ，アーク発生につながってしまう(図4)。この問題点に関しては，すでに一部専門家の間では早い時期から指摘されており，シャモニーワークショップで設立が決められたレビュー委員会でもその重要性が確認された。実際に，常温に戻されていた 4 つのセクターで(問題の 34 と異常抵抗が見つかったマグネットがある 12 と 67に加え，クライオスタットの接続部分の修理のためセクター

273
56 も常温に戻していた)測定を行ったところ，驚くべき大ここまでで済めば，9 月末に運転再開という予定でいけきな広がりを持った抵抗分布が得られたのである。ガンマ

たはずであるが，実はセクターを 80 K に温める作業中に新線撮影法などにより検査した結果，これら多くの接続不良

たなヘリウム漏れが発生していたのである。しかし，幸いの原因は，超伝導線を接続する際，銅部分のハンダが流れにも軽微な漏れであったこともあり，セクターの一部を温出してしまい，隙間が生じてしまうことと判明した(図 5)。

めて修理することが可能であったため，大きな遅れにはならなかった。この他に，新クエンチ保護システムの虫出しや真空漏れの修理などもあり，全セクターの 1.9 K への冷却が完了したのが 10 月 8 日となり，LHC へのビーム入射が開始されたのは 10 月半ば過ぎになってからであった。その

図4

マグネット間の結線部分(悪い例)

超伝導線同士のみでなく，copper stabilizer 部分の接触も保たれていなければならない。

後，鳥にパンを落とされたせいで冷却装置が一時停止状態になり，一部セクター温度が 8 K まで上昇する事件もあったが[9]，大事にはいたらず，1 年前の 9 月 10 日の再現となるビーム周回を 11 月 20 日にむかえたのである。

3.

ATLAS 実験

さてここで，LHC の各実験がこの間何をしていたか，特に ATLAS 実験を中心にふり返ってみる。2008 年 9 月 10
日の first beam circulation の時点では，4 実験とも 9 割以
図5ガンマ線撮影法で撮った接続不良の結線部分

上の完成度に達しており，見事 splash event３を記録できたのはまだ記憶に新しい[2]。しかし，いざこれからという期

特に大きな抵抗値の個所は修理されたが，問題は，全数

待が大きかった分だけ，ヘリウム流出事故の直後の落胆は接合をやり直すか，あるいはどこまで許容して運転再開に大きいものであった。しばらくの間，事故の被害状況や復間に合わせるかと，まだ未測定の 4 つのセクターをどうす

旧の予定などがよくわからないということもあり，ともか

るかである。このうち二番目の問題については，超伝導状く完成した測定器の状態で宇宙線ランを続けることにした態のままでは銅の結合部分の抵抗は測定できないが，常温わけである。10 月 21 日の LHC 完成記念祝賀会も無事に終に戻していると時間がかかり(ヘリウムを一時保存しておく

え，ようやく事態の詳細が明らかになってきた 11 月半ばに場所が足らず，一度に全セクターを常温にできないのも一

ATLAS 実験は，測定器を開き，一部未完成だった部分の因)，結局年内の運転再開はなくなるということであった。

建設と，不具合のあったパーツの修理を行うことを決定し

しかしここでヘリウム温度を 80 K にまで上げて測定するとた。

いう方法があみ出された。測定精度はやや落ちるが，セク

ATLAS 測定器(図 6)の詳細に関しては，参考文献[10]をター45 でこの方法が試され，さらにこのセクターを常温に参照いただくとして，その概要は表 2 の sub-detector から戻して測定を行い，新測定法の信頼性が確かめられた。そ構成されている。

して残りの 3 セクターの測定が 80 K で行われた。もしそこで大きな抵抗値を持つ接続不良個所が見つかれば，そのセクターは常温に戻して修理することになってしまい，年内の運転再開は危うくなるところであったが，幸いにも特に大きな抵抗個所は見つからなかった。クエンチが発生した場合に接合場所で熱暴走→アークの発生が起こらないためには， 5 TeV で 67 mW 以下， 3.5 TeV では 120 mW 以下である必要があることが，シミュレーションやテストベンチによって見積もられた２。測定結果の最大値は 53 mW であった
ので，2009 年から 2010 年にかけての期間は，安全を考えてまず 3.5 TeV で運転を行い，そこで得た経験をもとに

図6

ATLAS 測定器

5 TeV まで上げるかどうかの判断をくだす計画とした。
３

Single beam ではあるが，陽子が上流のビームコリメータに当たって発生した大量の二次粒子が測定器を通過する event のことを

２

これらの値はいろいろなモデルにより変わり，その後の study

により，現在ではもう少し低い値がいわれている[14]。

splash event と呼ぶ。この他数本のミューオンがビーム軸とほぼ平行に測定器を横切る halo event も多く観測された。

274
表2

ATLAS 測定器を構成するおもな sub-detector

Inner Tracker

た「We are “even more ready” to take and analyse data
8 ´ 107 チャンネル

Silicon Pixels
SCT(Semiconductor

Spokesperson を引き継いだ)が 10 月 12 日の RRB５で言っTracker)

Silicon

StripsTRT(Transition Radiation Tracker)

6 ´ 106 チャンネル

アコーデオン型

ハドロンカロリメータ
鉄-プラスチックシンチレータタイル

銅-液体アルゴン検出器
前方カロリメータ
銅(電磁部)＋タングステン(ハドロン部)
液体アルゴン検出器(チューブ状)

よく物語っている。

4 mmf ストロー，
40万本

電磁カロリメータ
鉛-液体アルゴン検出器

than last year」が，この時点での ATLAS 測定器の状態を

バレル部
エンドキャップ部
ラピディティーの3.1  4.9 をカバー

CMS 実験のほうも，ATLAS 実験と概ね似たような状況
で，同じ RRB では spokesperson の Jim Virdee から「essentially in “beam-ready” state」であると報告された。
CMS 建設では， PbWO4 の結晶を用いた電磁カロリメータの製作がもっとも遅れていて，エンドキャップ部はおそら
く片側しか入らないだろうと予想されていたのが，見事 2008
年 9 月の first beam circulation に間に合わせたのはさすがであった。しかしながら，その前に設置されるプリシャワー
検出器は間に合わず，staging されていたのが，
今回の
「シャッ

ミューオン検出器
RPC(Resistive Plate Chamber)

バレル部トリガー

トダウン」
中にインストールされ，晴れて“complete detector”

TGC(Thin Gap Chamber)
MDT(Monitored Drift Tube)
CSC(Cathode Strip Chamber)

前後方部トリガー
Tracking
Tracking，となったのである。8 月にはグローバル宇宙線ランも長期

前後方部の一部

間行い，ATLAS と同様に「よく理解された detector」になったといえる。

マグネット
超伝導ソレノイド(Inner Tracker 用)
超伝導トロイド(ミューオン検出器用)

2 テスラ
空芯

4.

データ解析システム

これらのうち，日本グループ４が担当した部分は，SCT，

LHC でのデータ解析は，コンピューティンググリッド技

TGC，MDT 読み出しエレクトロニクス，超伝導ソレノイ術を用いた，まさに全世界に広がった計算機システム網にド磁石などである。

より行われる(参考文献[6]の坂本・尼子両氏による記事を

12 月には測定器を完全に開き，翌 2009 年 4 月までの間に，既知の問題点であった液体アルゴン検出器の電源やInner Tracker の冷却装置の修理，放射線耐性に問題のあった MDT 用光学ファイバーの交換の他，ほぼすべての
sub-detector で，不具合のある検出器やエレクトロニクスの修理あるいは交換，データ解析の結果判明したケーブル
スワップの修正，などなどを行った。
Marzio Nessi (Technical
Coordinator) の 「 Bring known problems from % to ‰where possible.」という号令に集約されているように，これらの作業は ATLAS 測定器の完成度を飛躍的に高めることになったともいえる。5 月に測定器を閉じ，6 月にはマグ
ネット(ソレノイドとトロイド)の励磁試験を行い，宇宙線ランを開始した。
その後，各 sub-detector でデバッグ，テストを行い，10
月には連続運転モードに入り，LHC へビームが入射されるのを待つ態勢に入った。この時点では，半分以上のsub-detector で 99% 以上のチャンネルが稼動状態にあり，残りの sub-detector も 98 % 以上の稼働率を達成できた。
Fabiola Gianotti(この年の 2 月に Peter Jenni から ATLAS

４

現時点で日本から ATLAS 実験に参加しているのは，KEK，東大，筑波大，首都大東京，東工大，早大，信州大，名大，京大，
京都教育大，阪大，神戸大，岡山大，広島工大，長崎総合科学大の 15 研究機関である。

参照)。LHC 実験参加国の 200 近くある計算機サイトをつなぎ，
あたかも単一の計算システムのように運用するのが，WLCG(World-wide LHC Computing Grid)コラボレーションである。実際どのようにグリッドを使うかは，各実験により違いはあるが，ATLAS の場合は，次のような tier(階層)構造を持たせている。Tier-0(CERN)で生データの保管と一次処理を行い，10 ヵ所の Tier-1 サイトでは Tier-0 から送られた生データを二次処理して解析用データを作成すること，生データの保管およびその再処理などを行う。約50 ヵ所ある Tier-2 サイトでは，
データ解析とシミュレーショ
ンデータの作成が行われる。東大素粒子センターは ATLAS
実験の Tier-2 サイトとして 2007 年から地域解析センター
計算機システムを本格稼働させている。
世界規模で数度にわたるコミッショニング作業を繰り返し行い，2008 年 9 月の first beam circulation の時は，デー
タ転送・データ処理に成功している。しかし一方では，LHC
事故の後，あるグリッド関係者による「もしあのまま LHCが走り続けていたら，LCG は大量のデータを処理しきれたかどうか？」という声も聞こえた。実際その後，LHC の 4実験合同での予想されるフルデータ量で負荷をかけた総合
５

Resource Review Board。LHC 実験に参加している各国の財源機関代表者と CERN および実験代表者からなる委員会で，実験の進行状況や財政状態をモニターする役割をもつ。毎年春と秋の 2回開催される。

275
試験 STEP09 (Scale Testing for the Experimental Program

3.5 TeV まで行うには更に 1 ヵ月程度必要であることがわ

2009) を行ったのは，
2009 年 5 月末から 6 月にかけてであっ

かってきた。各実験ともぜひ年内にビーム衝突の実データた。CERN(Tier-0)から Tier-1 サイトへのデータ転送レーが欲しいという点で一致していたので，クリスマス前まで

トは，最大 4 GB/s (ギガバイト/秒)を達成し，試験期間中に，
ビームエネルギー 450GeV (SPS からの入射エネルギー)

安定して，各実験の要求を十分満たすことができた(図 7a)。

での衝突実験と，もし可能なら 1.18 TeV での衝突実験を優ATLAS 実験は，STEP09 の期間中，データの分配，データ

先させることとし，クエンチ保護システムのコミッショニ

再処理と二次処理，
データ解析およびシミュレーションデー

ングを完了させるのは 1 月に行う予定に変更された。

タの作成などを行い，11 日の間に 4 PB (ペタバイト)のデー

ヘリウム流出事故から，長い復旧作業を経て，更にまたタをグリッド上に保管し， 100万 にものぼる解析ジョブをスケジュールの遅れがと，ともすれば暗い気持ちになりが高い成功率で走らせることに成功している。東大素粒子セちだったところ，
11 月 20 日のビーム周回から始まったビー

ンターのサイトでも，多くのジョブを走らせ(図 7b)，安定

ムコミッショニングはそういう気分を一掃し，大きな希望

して高いレートでファイル転送を行った(図 7c)。

へと変えたのである。前年の 9 月 10 日と同様に LHC 四実
験は splash event を確実にとらえた(図 8)。そしてその 3日後には，重心系エネルギー 900GeV でのビーム衝突に成功したのである(図 9)。

図 8 ビーム運転が再開され，splash event の記録に成功し，喜びにわく ATLAS コントロールルーム(2009 年 11 月 20 日)

図 7 a) STEP09 時の CERN からのデータ転送レートb) SETP09 時の東大サイトでのジョブの実行状況－赤系の色(図の下半分)が実行中のジョブ数，青系の色(図の上半分)が実行待ちのジョブ数を表している。

c) STEP09 時の東大サイトでのファイル転送の状況－青い
色はフランスリヨンの IN2P3 計算センターからの転送を表しており，持続的に 200 MB/s から 300 MB/s を達成しているのがわかる。

5.

ビーム衝突実験開始

10 月後半から LHC へのビーム入射が開始されたが，この時点ではまだクエンチ保護システムのコミッショニング

図 9 ATLAS 実験で記録された LHC 最初のビーム衝突イベントの一つ(重心系エネルギーは 900 GeV )が終了しておらず，
これがクリティカルパスとなっていた。

11 月 26 日に「LHC, week 1」と題したセミナーが CERN

10 月初め頃の予定では，
年内の 3.5 TeV + 3.5 TeV でのビーで開かれ，LHC 加速器と 4 つの LHC 実験の報告があった

ム衝突が期待されていたが，全セクターのクエンチ保護シ[11]。最初に登壇した LHC operation 責任者の Steve Myers

ステムを 2 kA (ビームエネルギー 1.18 TeV に対応)までコ

氏 (CERN's Director for Accelerators and Technology) のミッショニングするのが 11 月 16 日の予定となり，それを「LHC is back! From the dark days after September 19,

2762008 to the bright days of late November 2009」というトー
クは実に感動的なものであった。それに続いた 4 実験の報
告も，みな測定器がほぼ予定通りの性能で働いており，データ解析も素早く行われていることを示すものであった。測定器の磁場は 4 実験ともまだかけていない状態ではあったが(加速器からの要請で)，ALICE 実験はここまでのデータを用いて，早くも 12 月 1 日に荷電粒子の pseudorapidity
分布に関する論文を発表した[12]。
それからの LHC の立ち上がりもまさに快進撃といった様子であった。11 月 29 日には両ビームとも 1.18 TeV まで加速することに成功し，LHC は世界でもっとも高いエネル
ギーの加速器となった。11 月 30 日からは各実験の磁場をかけてのビームコミッショニングが開始された。また陽子数やバンチ数を徐々に上げて，重心系エネルギー 900GeV での安定した衝突運転を行った。12 月 13 日には重心系エネ
ルギー 2.36 TeV での衝突に成功し，Tevatron を抜いて世界最高エネルギーのコライダーとなったのである。LHC は
12 月 16 日まで走り，2009 年の運転を終了した。この間
ATLAS 実験は，920 kイベント (約 20 mb-1 )の衝突事象を記録した。
これには約 1 mb-1 の 2.36 TeV のデータも含まれる。
ま た ATLAS で 記 録 し た 最 大 ピ ー ク ル ミ ノ シ テ ィ は
7 ´ 1026 cm-2s-1 であった。12 月 18 日に行われた CERN 理事会への報告を兼ねた公開セミナー[13]では，LHC の各実
験からはおもに測定器の performance を示す発表がなされた。
そのうちのいくつかの例を図 10 に示すが，p 0，K S，ジェットなどを確実にとらえ，どれも simulation と驚くほどよい一致を示している。各実験とも測定器の理解が十分に進んでいることがうかがわれ，しかもデータ取得後何日もたっていないことを考えると，ヘリウム流出事故による 1 年と2 ヵ月の遅れの期間を有効に使ったことの証明であるといえる。また同セミナーでの LHC 加速器の報告によると，潮汐運動によるビームエネルギーの変化が，「ビーム周回からたった 10 日後に観測された」(Steve Myers)とのことで
あった６。

6.

これからの運転予定と物理結果の見通し

年明けて，
LHC 加速器関係者が再びシャモニーに集まり，
ワークショップを開いたのは 1 月最終週であった[14]。議
題の中心は，今年以降の運転計画であった。ここでの議論をもとに，Heuer 所長と加速器責任者である Myers が下し
た決定は，

６

Steve Myers は LEP でも加速器 operation の責任者を務めた。
LEP でビームエネルギー変動に対する潮汐運動効果が発見されたのは，運転開始から 2  3 年後のことであった。

277• 今年と来年は 7 TeV (すなわち 3.5 TeV/beam )で運転を行う。
• その後長期シャットダウンをとり，14 TeV での運転に必要な作業を行う。
というものであった。
いくつかのシナリオが検討されたが，結局のところ，• 超伝導線の結合部分の抵抗はすべて 3 nW 以下で問題はな

いが，銅の安定材(copper stabilizer)の結合部分の問題がネックとなり，10 TeV の運転は危険が大きい。最終的には，マグネットを常温に戻して，結線を全部やりなおす。
• 14 TeV の運転に必要な作業の準備には時間が必要。
• 実験側としてはできるだけ早くデータが欲しい。

が主な理由となっての決定であった。
それにクエンチトレー
ニング問題もまだ未解決である。現在予想される各年ごとの積分ルミノシティは，次のようになっている。
2010 年

 200 pb-1 (7 TeV)2011 年

 1fb-1 (7 TeV)

2012 年 シャットダウン
2013 年

3  7 fb-1 (13 TeV)2014 年

5  16 fb-1 (13  14 TeV)

今年の正月明けから行っていた 7 TeV での運転に必要なクエンチ保護システムのコミッショニングは予定通りに完了し，LHC ビーム運転は 2 月後半に再開される予定である。
この記事が紙面に載る頃には，7 TeV での衝突実験が始まっているものと期待している。
さて，今後数年間に LHC で期待される物理結果を簡単に展望してみたい。まず 2010 年で，第一に重要なことは，
ビーム衝突の実データを用いた測定器の理解である。大量の minimum-bias event や J / y  ，Z   ( = e, m) などの イ ベ ン ト を 用 い て の 測 定 器 calibration を 行 う 。
7 TeV， 200 pb-1 に 対 し て は ，  2百万J / y  mm，
 5万Z  ee イベントが得られると予想されている。2010
年中に確実に期待できる物理結果としては，W，Z，トッ
プクォーク，QCD ジェットなど，「標準モデルの再発見」
である。トップクォークの生成断面積は， 2 TeV に比べて7 TeV は約 40 倍なので，2010 年のデータで Tevatron( 8 fb-1
として)と比肩する結果を出せる。
標準モデルを超える新物理も，2010 年中に見え始める可能性がないわけではない。超対称性は，現在の Tevatron のlimit が gluino と squark の質量が縮退している場合で392GeV(95%C.L.) であるが[15]，
LHC の 7 TeV，200 pb-1 のデータで， 500GeV までの発見ができ(図 11)，棄却領域は700GeV にまで広げられる。また，重いゲージボソン( Z ¢ な
図 10 ATLAS、CMS の performance プロット
p 0 , K S, ジェット PT 分布, missing-ET 分布。

ど)も，Tevatron の現在の limit である 1TeV には，100 pb-1

278で到達する(図 12)。ただし，その limit を超えた領域での発見となると，2011 年の運転を待たなければならない。

7.

おわりに

TeV 領域の物理を直接探索する LHC 実験は，いよいよ肝心のヒッグス粒子については，2010 年中に Tevatron

その幕を開けた。LHC の計画段階はもとより，正式に建設の sensitivity に追い付くのは困難そうである。2010 年末でが決定された 1994 年の時点でも，予想もされていなかった-1

Tevatron の各実験の積分ルミノシティが 8 fb に達したと-1

すると，LHC の各実験は少なくとも 300 pb ためなければ
Tevatron に並ぶことができない。また 2011 年に予想され-1

る  1fb (7 TeV) のデータでは，もっとも sensitivity の高テラスケールでの新しい物理の可能性が数多く示唆されてきている。
今後 4  5 年のうちにはそれらが明らかにされ，さらにそのあとに続く次期計画(SLHC，ILC)への重要なインプットともなる。

い 160GeV 付 近 の 質 量 領 域 で も  3s 程 度 で あ る

今回のヘリウム流出事故は，LHC の開始を 1 年以上遅ら( H  WW   モードで)。従って，ヒッグス粒子発見のせてはしまったが，その後の迅速な原因究明と復旧作業，

ニュースは 2013 年以降となろう。 14 TeV でのヒッグス粒

徹底した対策の取り方はさすが CERN と思わせるもので子 や 新 粒 子 探 索 に つ い て は ， [6] の 浅 井 祥 仁 氏 の 記 事あった。品質管理の重要性を再認識させるよい機会であっ(pp.922-929)および[16]にまとめられている。

たともいえる。今後 upgrade を含めれば LHC は少なくとも 15 年間は運転を続けるであろうことを考えると，今回の経験は決して無駄ではないと思われる。また情報公開の重要さもあらためて感じられた。復旧作業中に浮き出た新たな問題やビームエネルギーの決定に関する説明などが速やかに行われたことは，信頼感を深めることにも大いに役立ったように思われる。
LHC，ATLAS 実験に関する最新情報は，ATLAS 日本グ
ループのホームページ[17]，あるいは LHC アトラス実験グ
ループオフィシャルブログ[18]に掲載しています。

参考文献[1] 山下了，「LEP でのヒッグス兆候観測と実験終了について」，高エネルギーニュース，19-3 (2000) 130-150.
[2] 近藤敬比古，「LHC 加速器の現状と CERN の将来計
図 11 超対称性粒子の発見に必要な積分ルミノシティ

画」，高エネルギーニュース，27-3 (2008) 163-171.
[3] ALEPH Collab., Phys. Lett. B 526 (2002) 191.
[4] ALEPH, DELPHI, L3, and OPAL Collaborations, The
LEP Working Group for Higgs Boson Searches, Phys.
Lett. B 565 (2003) 61.
[5] The CDF Collaboration, the D0 Collaboration, theTevatron New Physics, Higgs Working Group, “Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model
Higgs-Boson Production with 2.1 - 5.4 fb-1 of Data”,

arXiv:0911.3930, Nov. 2009.
[6] 「小特集：LHC 実験が始まる」，日本物理学会誌，62-12(2007 年 12 月) 907-948.

[7] LHC Performance Workshop - Chamonix 2009, 2-6
Feb. 2009,http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=45433
図 12

Z ¢ の発見または棄却に必要な積分ルミノシティ

279[8] http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/
Releases2009/PR01.09E.html,
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/
Releases2009/PR02.09E.html[9] CERN twitter,
http://user.web.cern.ch/user/news/2009/091106b.html[10] ATLAS Technical Proposal, CERN/LHCC/94-43 (Dec.
1994);ATLAS Detector an Physics Performance Technical
Design Report, LHCC/99-14/15 (May 1999);
Expected performance of the ATLAS Experiment:
Detector, Trigger and Physics, arxiv:0901.0512, 2009.
[11] “LHC, week1”,
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=74907[12] The ALICE Collaboration, “First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector:
measurement of the charged particle pseudorapidity
density at sqrt(s) = 900 GeV”,

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/
0911/0911.5430v2.pdf[13] “LHC report”,
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=76398[14] LHC Performance Workshop - Chamonix 2010, 25-29
Jan.2010,
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=67839[15] The CDF Collaboration, “Inclusive Search for Squarkand Gluino Production in p anti-p Collisions at
sqrt(s)=1.96 TeV”, Phys. Phys. Lett. 102 (2009)

121801.
[16] 浅井祥仁，「LHC で期待されている物理」，高エネル
ギーニュース，24-4 (2006) 249-258.
[17] http://atlas.kek.jp/[18] http://d.hatena.ne.jp/lhcatlasjapan/