195■談話室

CERN Summer School の報告
東北大学 理学研究科

中 野浩 至nakano@awa.tohoku.ac.jp
2009 年(平成 21 年)10 月 31 日

1 はじめに

2.2

Work

私は今年 CERN Summer School に，6 月 23 日から 8 月

ここでは，私の Summer School での研究「ISOLTRAP 実

28 日の約 10 週間参加してきました。参加者は世界各地か験における Penning trap のシミュレーション」とそのポスら 100 名以上，日本からは修士課程 1 年の 5 名が参加しまター発表について述べます。

した。

2.2.1 研究内容と成果

このプログラムの存在は学部 4 年の頃より先輩から聞い

私は ISOLDE という実験施設の ISOLTRAP という原子ていて，ずっと参加したいと願っていたため，参加するこ核の質量を精密に測定する実験グループに配属されました。とができるとわかったときにはとても興奮し，さらに出発前日の夜は一睡もできませんでした。
以下に，CERN Summer School 2009 での私の体験を報告します。

子核を捕まえる装置を用いています。この装置内でイオンは三種類の運動をします(図 1)。一つ目は axial motion というビームの進行方向の振動で，トラップの際に生じるも2 プログラムの内容
ここでは，lecture および，どのような研究を行ってきたかについて報告します。

2.1

ISOLTRAP 実験では Penning trap というイオン化した原

LectureLecture は 7 月の初めから 8 月の初めあたりの 6 週間にわたって午前中(45 分×3 コマ)に行われました。SummerStudent は実験物理，理論物理，コンピューターサイエンスなど，さまざまな分野の学生(中には化学の学生もいました)によって構成されているため，まずは「素粒子とは？」，「検のです。残りの magnetron motion と cyclotron motion という回転は装置中の磁場によって生じます。例えとして，太陽の周りを回る地球とその周りを回る月を用いるなら，「地球の動き」が magnetron motion で，「月の動き」が cyclotronmotion です。イオンの位置は「月の位置」に相当し，装置中心からの距離は「太陽と月の距離」ということができます。つまり，イオンは二つの円運動を組み合わせた動きをするわけです。「地球の回転半径」よりも「月の回転半径」のほうが大きい場合もあります。また，cyclotron motionの回転の速さは magnetron motion のおよそ 1000 倍です。
それぞれの回転の周波数はイオンによって決まっていて，出器のしくみ」といった基本的な内容から始め，徐々に｢標一定です。また，この Penning trap は二極電極と四極電極準理論を越える物理｣，｢ハドロンコライダーの物理｣などのの 二 種 類 の 電 極 を 用 い る こ と で magnetron motion と特定のテーマについて掘り下げていくという形式でした。

cyclotron motion の半径を変えることができます。

講師はその分野での一流の方々であり，毎日の lecture の終
わりには約 30 分の質問時間が用意されていて，非常に充実した内容でした。講義内容についていけないときは己の勉強不足と理解力のなさに落ち込んだこともありましたが，幅広い分野を一望できるこれら一連の講義で，「いったい自分は何に興味があって物理を学んでいるのか」という根本的な問いを考える，いいきっかけになりました。
ちなみに 2009 年度の Summer School の lecture は，
https://hr-recruit.web.cern.ch/
hr-recruit/summies/default.aspの Lecture Programme 2009 で確認することができます。

図 1：トラップ内のイオンの運動196
私はこの Penning trap 内のイオンの運動をシミュレーショ

では，いかにしてこれらの手順を可能にしているのでしょン計算するプログラムを前任者から引き継いで，プロットうか。まず，手順 2 の回転運動の軌道半径の増加ですが，や動画を作る仕事をしました(図 2)。私はプログラミング

これには二極電極による電場を用います。これは子供のブの初心者であったため，イタリア人の Summer Student のランコを押してやることを想像するとわかりやすいと思い

Emanuele や，ISOLTRAP 実験の学生のみんなにかなりおます。当たり前ですが，ブランコが後ろから来て前に行く世話になりました。完成したプログラムは，用いるイオンときに前に押してやることでブランコは加速されます。つの質量や初期条件，装置の情報，二極電極や四極電極をいまり背中を押すタイミングをブランコの周期に合わせていつ使うのかという情報などから，イオンがいつどこにいるるわけです。これと同じで，イオンの回転周期にあわせてのかを知ることができるものとなっています。微分方程式

電極を切り替えることで回転運動を大きくしてやることがの計算には Gear method という方法が用いられています。

できます。
ここで増幅するのは magnetron motion の回転で，この magnetron motion の回転周期はイオンの質量によらず一定であるため，すべてのイオンの回転半径が増加します。
次に特定のイオンの半径を小さくする方法ですが，これには四極電極を用います。四極電極は magnetron motion とcyclotron motion を変換する働きがあり，こちらは電極を切り替える周波数によって，特定の質量のイオンのみに影響を及ぼします。
つまり，トラップ内で大きな cyclotron motionを持ちうるのは選ばれたイオンのみということです。

Cyclotron motion は非常に速い運動であるため，トラップ内のガスの空気抵抗を受け減速されます。つまり軌道半径が減少し，特定のイオンのみトラップの中心におくことが
図 2：プログラムの流れできます。
シミュレーションの結果を図 4 に示します。図の縦軸はこの実験での Penning trap の役割の一つとして，いくつ中心からの距離，横軸は時間です。Magnetron motion 半径かの種類が混じったイオンビームから一種類の特定のイオを中心にして高速で cyclotron motion の回転をしているたンを選び出すことが挙げられます。この実験の目的は原子め，グラフは縦に幅を持っているように見えます。グラフ

核の質量測定なので，ビーム内に質量が非常に近いイオンからは見にくいですが，0 ms から 0.2 ms まで二極電極で半が混じっていたとしても正確に特定の質量のイオンだけを径を 0 mm から 3.4 mm に増幅しています。それ以降は四極選び出してやる必要があります。

電極で 133 Cs (左)の magnetron motion と cyclotron motion

例として， 133 Cs と 133 Sn という質量が近い二つのイオンを変換しています。100 ms の時点で，133 Cs (左)はトラップについてシミュレーションを行った結果，「二極電極と四極中 央 に ， 133 Sn ( 右 ) は 外 側 に 位 置 し て い ま す 。 縦 軸 の電極をうまく組み合わせて一つのイオンを選び出す」とい

r = 1.5 mm の位置に引かれているラインはトラップのイオう手順を再現することができました。以下に，このイオンン取り出し口の半径です。トラップから取り出す際，外側分離の原理を説明します。まずは下の図 3 をご覧ください。の粒子は壁に当たってなくなるので 133 Cs のみを取り出すことができるというわけです。
イオンを選び出す手法にはもうひとつ方法があるのですが，ここでは割愛します。

図 3：トラップでのイオン分離の概念図(左から)1.

トラップにイオンが入る。

2.

すべてのイオンの回転軌道の半径を増加させる。

3.

取り出したいイオンの半径のみを減少させる。

4.

取り出し口の半径より外を回るイオンはカットできる。
これが特定のイオンを選び出す一連の手順です。

図 4：シミュレーションの結果

133

Cs (左)と 133 Sn (右)197
2.2.2 ポスター発表
ポスター発表は lecture の最終週に企画されていて，有志の Summer Student によって行われました。(これとは別にスライド発表もありました。ともに lecture の終わりにあるので，来年度の参加者で発表に挑戦したい方は参加期間の選択の際，参考にしていただければと思います。)
私は今までポスター発表をしたことがないため，これは自分にとって非常によい機会であると思い，同じ部屋で研究していたデンマーク人の Chirstian を誘って挑戦してみることにしました。

Christian は私よりもはるかに英語が上手く，私の英文を適切なものになるように添削してくれました。逆に私は色図 6：LHCb + Delphi + CAST の見学の様子やイラストを用いてポスターをわかりやすくすることができたので，お互いがお互いの長所を利用して，いいポスターが仕上がったと思います。発表の前々日にポスターを仕上げるために夜通しで製作に取り組み，研究室のいすで仮眠をとったことは今となってはいい思い出です。
当日には多くの人が来てくれて，質問もたくさん受けました。時々，というか，しょっちゅう返答に困り Christianに助けてもらいましたが，発表の後には，初めてのポスター発表を無事にやり遂げたという大きな達成感を得ることができました(図 5)。

また，用意されているものとは別に，自身で見学ツアーを企画してしまう行動的な Summer Student もいました。
見学では，巨大な実験装置やそれを動かすための大きなクレーン，そしてそれらを収める数階建て分はあるであろう建物に囲まれ，全周約 30 km という大きさ世界一の加速器のスケールを実感しました。Workshop では，コンピュータを用いずに高次のファインマンダイアグラムを書こうとすると，とても大変であることを体験しながらソフトの使用方法を習いました。

3 日常生活について
3.1

Summer Student 間の交流

同じホステルに住んでいることで知り合ったり，よく図書室で出くわすことで知り合ったり，または飲み会やイベントで一緒になって…など様々な場で友人ができました。
特に同じ研究室に割り振られたデンマーク人の Christianと彼の友達の Johan をはじめデンマーク人グループとはしょっちゅう行動を共にするくらい仲良くなりました(図7)。母国語を教えあったり，休みにはクライミングや川くだりに出かけたり，ジュネーブ湖で泳いだりもしました。
図 5：Christian，発表に使用したポスター，と私

2.3

Visit および Workshop

Lecture 後の 2，3 週間には CERN 内の施設を見学できる
visit や，実験を体験できる workshop がありました。これ
らのイベントの予約は Summer Student 全体にメールが送られた後ウェブでの登録となっていて，うっかりメールのチェックを忘れると，1 時間以内には人気の高いものはすっかり埋まってしまっているという結果になります。反応の速い人は一日何回メールを確認しているのだろうと思っていました。私は LHCb + Delphi + CAST(図 6)，SM18 +ATLAS の見学と MadGraph の workshop に参加しました。

図 7：デンマークの学生たちとの写真

198
滞在最後の週の Zermatt での山登りでは，ほかの人たちないので困ったときに助けてね。」とお願いしているので，が帰りは電車で山を下るにもかかわらず，歩いてふもとのそのうちお世話になるかもしれません。国内外に多くの友村まで帰るという無茶もしました。最終的には，「君のくだ人ができたことは，このプログラムで得られた一番の宝物らない冗談は僕のいい英語の練習になるよ。」，「日本人はみです。

んな礼儀正しくて思いやりがあると思っていたけど，君を見ているとそうでもないみたいだな。」などといった少し辛口の冗談も言い合える仲になりました。彼らの冗談のおかげで少しは英語になれることができたかなと思っています。
ひとつ心残りなのは，最後まで否定形の疑問文での返事で“Yes”と“No”を逆に答えてしまうことを直せなかったことです(日本語と英語で逆なのを知って，彼らは時々意図的にこの疑問文を私に使っていた。悔しい！)。

3.2 研究所での生活「夕方になれば仕事を切り上げて帰る」というヨーロッパ人に対する私のイメージとは裏腹に，夜遅くまで研究している人，土日も研究する人など日本とさほど変わらない研究スタイルの人も少なからずいました。ビームタイムともなれば，私の配属先の ISOLTRAP グループは土日お構いなしに 24 時間体制でシフトを組んで実験に取り組んでいました。同じ部屋の Christian とも休日に研究室で出くわすこともあり，「今日もいるのか。クレイジーだなぁ。」とお互いがお互いにびっくりしていました。
一方，Supervisor が 2 週間の長期休暇をとって旅行に出かけたり，家族を CERN に呼んで昼ごはんを一緒に食べたりと日本では見られない習慣も見ることができました。

Supervisor というのは，Summer Student の指導役としてプログラムの期間中面倒を見てくれる CERN の研究者なのですが，私の Supervisor の Magdalena は陽気でおしゃべりなドイツ出身の女性でした。彼女は非常に忙しい中，定期的

5

今後，本プログラムへ望むこと
プログラムの申し込みに滞在期間選択の項目がありましたが，その際 lecture の期間の情報しかなく visit や workshopなどのイベントの情報も早めに手に入れることができればと思いました。また，私には幸い，本プログラムに参加されていた先輩がいましたが，持ち物や心構えなどを前年の参加者に質問できる場を設けていただければ，より充実したプログラムになると思います。

6 おわりにたくさんの「初めて」を経験し，充実した毎日となった
本プログラムは「自分探しの旅」であったともいえます。
何を知りたいのか，なぜ研究しているのか，ときに折れそうにもなりましたが，自分の「軸」がより太く，強くなったと実感しています。

CERN での研究者や世界各地の学生との交流によって得られた多くの経験は今後の研究生活に大きな影響をもたらすと思います。帰国後，英語で話しかけることへの抵抗感がなくなり，KEK に滞在する海外の学生と仲良くなりました。このように，これからも行動の可能性の幅を広げていければと思っています。

謝辞
本プログラムでお世話になった，KEK 国際企画課の岩見に私の研究を見てくれたり，ISOLTRAP グループの実験にさん，福田さん，CERN で指導していただいた Supervisor

ついての説明を丁寧にしてくれたりしました。また，研究の Magdalena，および ISOLTRAP 実験グループの皆さん，グループみんなで彼女のお気に入りのレストランでの食事そして推薦状をはじめ申し込みの際の諸々でお世話になっを企画してくれるなど，私が研究グループに溶け込めるよ

た山本先生，経験者としてアドバイスをくださった佐々木うに配慮してくれました。研究グループには Summer Student

先輩，ともに CERN で過ごした Summer Students のみんな，ではない学生も数人いて，コーヒーに誘ってくれたり，私不在によって迷惑をかけてしまった日本の実験グループのが行き詰ったときに辛抱強く(時折英語が聞き取れなくて何皆様，およびそのほか多くの方々のおかげで非常に密度の度も聞き返してしまったにもかかわらず)親切に教えてくれ

濃い，いい経験ができました。本当にありがとうございまたりしました。

した。

4 Summer School のその後
CERN で知り合った日本人学生の多くとは，その後秋の学会で再会し，近くに寄ったときには会うなど交流を続けています。日本への留学を希望している Lily には何かあったときの力になると約束をしました。また，GEANT4 をよ
く知る Tomas には「僕は帰国後 GEANT4 を使うかもしれ