177■談話室

Summer Student 体験記
東京大学大学院 理学系研究科物理学専攻 浅井研究室

佐 々 木雄 一

ysasaki@icepp.s.u-tokyo.ac.jp
2009 年(平成 21 年)10 月 25 日

2009 年 6 月 29 日から，2009 年 9 月 5 日までの 10 週間，器の概論，宇宙論，エレクトロニクス，大規模コンピューCERN Summer Students の一員として CERN の仕事の一部ティング，解析プログラムの使い方等々，ありとあらゆるを体験することが出来た。ここでは，その活動内容および，実験知識を学びつつ，最終的に標準模型を修め，さらにそ生活での体験について述べる。

れを超えた物理(余剰次元モデル等々)の紹介まで行う，非常に完成度の高い講義群であった。もちろんこのあたりは

1.

はじまり一通り大学で学んではいたのだが，その実践的な復習という意味で非常に有意義なものだった。外国人が行う講義をこのプログラムの存在は，素粒子センターの先輩方から受けたのは実はこれが初めてなのだが，その完成度にはい聞かされて前々から知っていた。去年は同じ研究室の石田

つも感動させられた。必ず話が一時間の講義時間の中で閉さんが Summer Student として CERN へ出かけていったのじるように作ってあったし，退屈させないように定期的にを見送った記憶がある。一年が過ぎるのは早いもので，いジョークも挟んである(もっとも彼らのジョークはパンチラ

つの間にか今度は自分たちの番になっていた。とはいえ，インで早口になるので聞き取れないし，聞き取れたときもこの一年で英語が上達したわけでもなし，なにか技術を身さっぱり面白いと思えないので，私は愛想笑いだった)。そにつけたわけでもなしで，Summer Student として選ばれたの中でも特に印象に残ったのは三つあって，まず一つ目はときは嬉しさ半分，不安半分だったのを覚えている。兎にニュートリノについてのフランス人の講義である。このフも角にも問題は英語だろうと思い，とりあえず，BBC のラランス人の講師はどうも日本があまり好きではないようで，ジオなどを聞いて英語のリスニングの勉強をしてみたが，極力日本の研究成果を紹介しないように話をしていた印象

その時点では 8 割方理解できていた。これならきっと大丈がある。しかしそれでも，話の後半になるとニュートリノ夫だろうと思い飛行機に乗り込んだのが 6 月 29 日。キャビ

実験のマイルストーンとして，カミオカンデ， T2K，ンアテンダントのお姉さんはオランダ人だったので英語でKamLAND などの話を入れなくてはならず，実に講義時間話しかけられるわけだが，機内食を下げるとき一体どういの七割がその紹介に使われたのは，日本人としてはとてもうはずみか，「おいしかった？日本食はおいしいわよね。で嬉しかった。それとともに，日本のお家芸とよく呼ばれてもオランダの食事もおいしいのよ。私たちはお互いに文化いるニュートリノ物理が，内輪での呼び名でなく，本当にを学びあって，高めていかなくてはいけないのよ。
」と問わ世界に誇れるものなのだと知って，改めてニュートリノ物ず語りされ，困惑した。そもそも英語を聞き取るのに精一

理への興味が沸いた。

杯だったのがまず一つ不安にさせられたし，日本人は絶対二つ目は IPMU の村山先生による標準理論の講義で，こにしないような話題を突然振ってくるという文化の違いにれは実に五時間にわたって，電磁力，弱い力，強い力まで驚いたのだ。考えてみればこの旅では，英語を学ぶこと以を一通り，そして丁寧に解説したものである。日本にいて上に，世界各国からやってくる Summer Students の文化をもなかなかお会いする機会のない村山先生の講義を受けら学ぶことが，コミュニケーションを取る上で大切である。

れること自体が嬉しかったし，内容も標準理論ということその前途を思うと，また一つ不安が増えるのだった。

で，復習半分，新しい話題半分という具合で非常に勉強になった。新しい話題が提起されたとき，夕食は大体ベトナ

2.

講義

ム系ドイツ人や中国人の友達とそれについて議論をして過ごすことになる。それぞれ思うところがあるのでなかなか

Summer Student Program でわれわれに課せられる課題

結論はまとまらないのだが，それも含めてよい経験になっは大きく二つあって，一つは実験グループに配属されて行たし，非常に楽しい時間であった。この講義は同僚のポーう研究と，もう一つは午前中に開催される lecture の聴講でランド人(エレクトロニクス専攻なので物理はまったく知らある。この lecture では，エレクトロニクス専攻の学生を想ない)の琴線にも触れたらしく(彼曰く，「最高にエキサイティ定したやさしい物理入門から始まり，検出器の概論，加速178ングだった」とのこと），これ以後，昼食後研究室に行くと，彼が講義のスライドを開いて，「雄一，これはどういうことなんだい？」と質問してくることが日課になった。英語で物理の微妙な概念を教えるのは非常に難しくて，たとえば，「反応断面積がエネルギーの関数になる」ということ一つとっても，なかなか理解してもらえなかったのを覚えている。
日本語でも，物理を学んでいない人にこれを教えるのは難しいのに，英語だと上手い言葉が見つからなくてなおさら大変になる。しかし，食後の休憩としては最適な時間のつぶし方だったし，お互いに得るものは多かったと思う。
印象的な講義の三つ目は，デバリによる“Beyond the図1Standard Model”である。この講義では，なによりもデバリ陽子陽子衝突の全断面積[1]の人柄に圧倒された。言葉は悪いが，「物理狂」という表現がぴったり来る。小説でしか見たことがないような，物理σtot =に狂った人である。スタイルも独特で，事前にスライドを用意するのではなく，OHP に透明なシートを映し，そこに直接マジックで絵や式を描き説明してゆく。一度勢い余って OHP のステージに直接マジックで書き込みをしてしまったときがあって，この人は本物だと感動した。内容は，余剰次元に，新しいゲージボソンの話等々非常に面白いものだった。

16π
1 + ρ 2 N el + N inelと書ける[1]。 ρ は理論から予測される値で小さな値が来るので不定性は小さい。 N el , N inel はそれぞれ弾性散乱の数，非弾性散乱の数であり，t は横方向運動量移行を示している。この時の主要項は，
dN el

以上の講義は，午前中三つ，おのおの一時間のペースでdt進められた。その後，三十分間の質疑応答時間があって，Summer Students の質問に講師の方々が答えてくれる。印

dN el
dt t =0t =0である。これを正確に測定することが，TOTEM 実験の最象に残ったのは東南アジアの学生の熱心さで，おそらく相重要課題である。そのため，TOTEM では CMS の衝突点当考え抜いたであろう物理の核心を突く質問を，しばしばIP5 から 147 m,220 m の地点に Roman pot と呼ばれる検出していた。幸いにも，彼らとは友達になれたので今後も連器を置いて，散乱された陽子を測定している。この時の t絡を取り合って切磋琢磨していきたいと思う。

は，最小で 10−3 GeV2 程度であり，ここから t = 0 極限での値を外挿して求めてやることになる(図 2)。

3.

仕事

昼食が終わると，仕事場へと移動する。私が配属されたのは，TOTEM という実験グループで，最高重心系エネル
ギー 14 TeV のパワーを誇る LHC において，陽子陽子衝突の断面積を正確に測定することを目的とした実験を行っている。図 1 に現在まで測定されている陽子陽子衝突の全断面積を示す。これを見るとまず s = 1.8 TeV における二つの測定結果が有意に (2.6σ) ずれている。また，それより高エネルギー側のデータは，宇宙線の測定によって求められたものであるため不定性が大きい。TOTEM では，このエネルギー領域における陽子陽子散乱断面積を高い精度(図 1の右下に，TOTEM で期待されているエラーの大きさが表示されている)で測定する。

TOTEM の売りの一つに，光学定理を使って，ルミノシティ非依存で全断面積を出せることが挙げられる。全断面積を出す式は，図2モデルごとの微分散乱断面積( 14 TeV 時)[1]

どのモデルにせよ指数関数的に落ちてゆく傾向は変わらないので，dN / dt(t = 0) の外挿による不定性は 1% 以下である。

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先に述べた Roman pot は図 3 のような edgeless silicondetector を用いた検出器であり，ビームの広がり幅の 10 倍に相当する 8 mm 程度まで近づいて，散乱された陽子を検出することが出来る。

図4

TOTEM FED のブロックダイアグラム[1]

チップがデータをきちんと準備する・受け取ることを保証するため，300 ns という比較的長い時間待ち受け状態を取っている。しかしこのサイクルだと，現状の TOTEM の dataacknowledge rate は達成できるが，この先ルミノシティを上げた場合は追いつかなくなることが予想される。
そこで，この部分の改良がまず課題として課せられた。そもそもどうしてこのような冗長性のない設計になっていたのかスーパーバイザーに尋ねてみたところ，「政治的な問題だ」との
図3

Edgeless silicon detector[1]ことで，それ以上詮索は出来なかった。私がやることは簡単で，回路図の中から使っていない信号線を一本見つけて，ここから出たアナログデータは，次に VFAT と呼ばれるチップでデジタイズされ，続いてそのデータを元に，Level

1 Trigger が作られる(以下，L1T と略す)。ATLAS などと異なり，TOTEM のトリガはこれだけである。これらデジタルデータは，その後光ファイバーを通してコントロール
ル ー ム へ 送 ら れ る 。 そ こ で ， TOTEM FED(Front EndController)によって光信号から電気信号へと戻され，後に解析に必要になるヘッダーなどを付加され，VME から読み出される。この部分が，私が TOTEM エレキグループで担当した箇所である。図 4 に，TOTEM FED のブロックダイアグラムを示す。

それに acknowledge signal を割り当て，state machine を少し書き換えればよいだけの話なのだが，そんな線がはじめから余っていたら苦労はしない。すでに各線には何らかの信号が割り当てられていて，それを譲ってもらうには，他の開発者にそのようにお願いをしなくてはいけない。しかしなにぶん CERN は夏休みの真っ最中で，しかも TOTEM
エレキグループはイタリア人が主な構成員なので，ほとんどの人が休暇に行ってしまい，長期間連絡がつかない状態が続いた。そうこうしているうちに，ポーランドから先述の Summer Student がやってきた。彼はエレクトロニクス専攻のエキスパートだということで，しばらく一緒にこの私に課せられた課題は二つあって，一つ目は LocalBus の問題に当たることになったが，他の開発者に連絡がつかな

通信速度の向上，二つ目は bunch crossing/event counter のいのは相変わらずなので，彼にしても特に出来ることはな製作であった。

かった。一方で，Summer Student としての限られた時間をLocalBus とは，TOTEM FED の上に載せられている五有効に使うため，私はスーパーバイザーに相談して，新しつの FPGA を相互に接続しているバスであり，32 bits のデーい課題を割り振ってもらった。それが二つ目の， bunchタラインに加え，アドレスライン，output enable ライン，crossing/event counter の実装である。

write/read select ライン，チップセレクトラインが用意され

LHC のパイプの中を通るビームは，短い「バンチ」といている。しかしこれらはすべてマスターである VME64xう単位に区切られている。そのバンチが 27 km の間に 3564

interface チップからしか駆動できないようバッファを噛ま個連なっているのだが，それらのバンチには一つ一つにイした設計で，つまり，スレーブ側から acknowledge シグナンデックスが付いている。そのインデックスを収納するのルを送れるようにはなっていない。そのため，スレーブのが 12 bits の bunch crossing counter であり，実際にはすでに

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TTCrx というチップによって TOTEM FED 上に実装されクロックを作るボードとの接続が電気的に非常に不安定にている。同様に，event counter というのは L1T をカウントなっていて，でたらめな動作をしているように見えて途方する 24 bit カウンタで，こちらもやはり TOTEM FED 上にに暮れたりと，なかなか一筋縄にはいかなかった。他にも実装されている。しかし問題はそこからで，たとえば図 4

数えればキリがないほどの問題にぶち当たって時間がどん中の MAIN チップには，その情報を受け取るのに十分な本どん過ぎていったが，それぞれきちんと担当者にフィード数のライン( 28 bits 分必要)が接続されていない。そこでそバックして修正してもらう約束をとりつけたので，無駄なの部分に関しては，自分の手でカウンタを作ってやること時間ではなかったと思う。

で， 4 bits 分しか確保されていないラインを通して，bunchモジュールの最終テストを行えたのは，実に日本に帰る

crossing/event counter を実装した。図 6，7 に，4 bit 版 module

前々日のことである。
想定されるいくつかのシチュエーショと， 28 bit 版 module のブロックダイアグラムを示す。

ンで，それぞれ一万回の動作を行い，正しく動作している

4 bit 版に関しては，タイミングの不調によるカウントミことを確認した(たった一万回しか行えなかったのは，デバッスを防ぐため，多少技巧的なことを行っているが，基本的グ用のプログラムがそのようなテストに対応しておらず，には単なるカウンタである。28 bit 版はさらに簡単で，TTCrx

毎度 100 個程度のデータを手で読み出さなくてはいけなかっが送り出すカウントを，ストローブに同期して FIFO に格たからである。この点については，スーパーバイザーへの納するだけなのだが，チップごとにタイミングの差が生じ最後の引き継ぎの際に指摘して，後にもっと本格的な確認るようなので，PLL の位相を書き換えることでデータを読をしてもらうことにした) 。

み取るタイミングを可変に出来るようしてある。

ちなみに，相方のポーランド人は，私が帰国する二週間

これらを製作した後，実際に TOTEM FED ボードに焼きほど前から LocalBus の本格的な開発に着手して，最終的に込んで，デバッグも行った。しかし，デバッグ用のシグナは現状の通信速度の約 2 倍に相当する，目標を十分に上回ルを作るプログラムもベータ版で，そのバグに嵌って一週る速度を達成していた。すごい奴だと思う。

間を無駄にしてしまったし，その次には，TOTEM FED と4.

生活

仕事は毎日せいぜい六時半くらいまでで，その後はレストランでビールを飲みながら夕ご飯を食べるのが流れになっていた。すると同じく仕事を終えた友達が集まってきて，ぐだぐだするのが日課となった。大体ご飯を食べる時間が決まっていたので，ドイツ人やら中国人やら，メキシコ人やらのうち，割と決まったメンバーで食べていた。運よく彼らは物理の学生(Summer Students の 6 割，7 割くらいはエレクトロニクスの学生なので，物理の学生というのはむしろ少数派である)だったので，基本的には物理の話をしつつ，しかし自分の国の話もしながら盛り上がった。面白かっ
図6

4 bit 版モジュール

たのは，Google street view で日本の大学案内をしてあげたことである。私にとっては日本の見慣れた風景に過ぎないが，彼らにとってはやはり物珍しいもののようで，みんなで大騒ぎしながら見ていた。インターネット発祥の地である CERN でその恩恵にあずかれるというのは，本当に面白いことだと思った。
休みの日には，メキシコ人や中国人の友達と一緒に電車旅行に出かけた。いろいろなところに行ったが，一番印象に残ったのはスイスの首都ベルンの街を郊外から眺めた風景で，街をグルッと取り囲むように流れる青い川と草木の緑，それに深い歴史を刻んだ赤レンガのコントラストが最高に綺麗だった。

図7

28 bit 版モジュール

181
シヨン城もとても面白かった。
兎にも角にも歴史が古い。

ものの考え方，捉え方がどことなく日本人に似通っていた

増築を重ねてかれこれ数百年の単位で使われ続けてきたお気がする。一番感覚が違うのはアメリカ人と中国人で，彼城ということだったが，その途中何度戦場となったことだ

らは絵に描いたように自由奔放な性格だった。

ろうか。さらには刑務所や拷問室として使われていたことイタリア人のミーティングにも何度か参加したが，これもあるわけで，そんな場所が今観光地になって，私がそこもなかなかおもしろい。まず，本当にミーティングが時間に立っているかと思うと，とても不思議な気持ちがした。

通りに始まらない。イタリア人が時間にルーズだというの

しかしわざわざ観光名所に行かなくてもそこらへんにいは知っていたけれども，ここまでとは思っていなかった。

くらでも面白い風景が広がっているのがスイスのすばらし

それに彼らは一対一で話をする時以外は，人の話を聞かないところで，ジュネーブ旧市街などは暇なときに一人で散い。もともと自分の思うところがあるようで，そこから意歩によく出かけていた。CERN から西に行けばすぐに長閑見を変えるのを嫌がる。初めのうちはそういうお国柄の違な田園風景が広がるし，その先にはジュラ山脈がそびえ立いに困惑して胃が痛い毎日を送っていたが，それも慣れてつ。これほど風光明媚な土地もそうはないだろうと，到着しまえばどうということはなくて，むしろ視野が広がるよ

した直後は感動しきりだったが，人間の悪い癖で，すぐにい機会だったと思う。また，一度そういうものだと思って慣れてしまった。反対に，日本の桜が好きだというクロア

しまえば，逆にその文化の違いを楽しむ余裕が出来て，新チア人の女の子に桜の美しさを説明したり，紅葉も同じよ

しい国の友達を作るモチベーションにもなった。

うにすばらしいのだと語ったりしていたら，自分がいかに日本のそういう風景を見逃しながら生活しているかを実感させられた。外国に出かけることで初めて見える日本のよさというのも皮肉な話だが，悲しいかな真実だと思う。

5.

まとめ

この Summer Student Program で学べたものは，もちろ一週間に一二度のペースで，ビアパーティが開かれた。

ん技術的なこともそうだが，それ以上に，他の国の学生たお酒を飲むとどうせみんな適当な言葉で話し始めるので，ちとどうでもいい与太話から物理の話まで，幅広い話題で恥を捨てて英語を練習するよい機会になった。写真 1 は，議論できた経験だと思う。あとそれぞれのお国柄を知るよ

夕ご飯仲間として先ほどから何度か登場しているメキシコい機会にもなった。そういう意味で，成田発の飛行機の機人のダニエルとの写真である。彼と知り合ったのも，ビア内で感じた不安は，よい方向に解決されたと思う。

パーティの時だった。付き合いのよい友達で，今でもたまにスカイプで話をしたりする仲である。

私が CERN を離れる時期は比較的遅かったので，多くのSummer Students の帰国に際し，お別れを言った。そのとさすが CERN だと思ったのは，ワインバーグの講演会がき，「そのうちストックホルムで会おう」と言うのがお互い開かれてノーベル賞受賞者の話を聞くことが出来たり，なの決まり文句になっていた。それはさすがにジョークとしんの前触れもなく，やはりノーベル賞受賞者のグラウバーても，少なくともその目標に向かって努力して行きたいとが TOTEM のバラックを訪ねてきたりしたことである。レ

思う。幸い，彼らのほとんどとは連絡可能な状態にあるのストランにも本を出しているような有名な物理学者がたくで，近況を伝えあって，切磋琢磨出来ればと思う。

さんいて，ミーハーな私にはとても楽しい環境だった。し最後になりましたが，今回お世話になった方々，KEK のかしミーハー具合で言えば，ヨーロッパ人は日本人に負け

徳宿先生，岩見さん，石川さん，福田さん，推薦書を書いず劣らずミーハー揃いだったと思う。それに加えて，物腰，ていただいた浅井先生，私が日本にいない間実験の世話をしていただいた東京大学素粒子センターのみなさん，CERNの方々，そして Summer Students のみなさん，ありがとうございました。今後ともこのすばらしい企画が続いていくことを，こころからお祈りしております。

参考文献[1] “The TOTEM Experiment at the CERN Large Hadron
Collider”
http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08007

写真 1 メキシコ人ダニエル(左)と私(右)