SUPERCONDUCTIVITY COMMUNICATIONS, Vol.21, No.4 August, 2012

＜解説＞　 CERN-LHC 超伝導加速器による『ヒッグス粒子とみられる素粒子』の発見 　　　山本　明、中本建志　 (KEK)

　欧州合同原子核研究機関（CERN、ジュネーブ）において、大型ハドロン衝突型加速器 (Large Hadron Collider： LHC) が、 1994 年の建設決定以来、 14 年の歳月を経て 2008 年に完成した。円周 27 km におよぶ粒子加速器は、 7,000 台を越える様々な超伝導磁石、加速空洞システムによって構成され、超伝導技術が本質的な役割を担っている。稼働直後に発生した超伝導ケーブルの焼損インシデントに対応した一時運転停止を乗り越え、 2010 年春から、新たなエネルギーフロンティアにおける素粒子物理実験が順調に進展している。
　 2012 年 7 月 4 日には、この世界最強の加速器 (LHC) による、陽子 (~4 TeV) 同士の正面衝突 ( 重心系衝突エネルギー 8 TeV) によって、宇宙における質量の起源を説明する『ヒッグス粒子とみられる素粒子の発見』が報告され、世界的な反響を巻き起こすニュースとなった。や、初期宇宙における物質形成、宇宙の成り立ちへの新たな理解、新たな物理法則の発見への期待が高まっている。超伝導技術が担う素粒子物理学の最前線を紹介する。

図 1. CERN-LHC 加速器サイト .

1. まえがき

欧州合同原子核研究機関 (CERN 、ジュネーブ ) が国際協力により建設した大型ハドロン衝突型加速器計画 ( ラージハドロンコライダー： LHC) は、 1994 年に建設計画が決定され、 EU 加盟国を中心とした CERN のメンバー国 20 ヶ国、米国、日本、カナダ、インド、ロシア等が参加した国際協力計画として建設が進められた [1-6] 。直径、 ~10 km におよぶ全体サイトの光景および加速器システムの構成を、それぞれ図 1 、図 2 に示す。荷電粒子を、超伝導磁石による磁場により円軌道に周回させつつ、一部の直線部に設置した加速空洞によって順次加速をする多段シンクロトロン方式が用いられている。 2006 年には、主要素となる偏向超伝導磁石製作が完了し、周長 27 km におよぶ地下トンネル内での加速器としての組み立て、据え付け ( 図 3) を経て、 2008 年に完成し、入射エネルギー (450 GeV) でビームの周回に成功した。その直後、ビームエネルギーを上げていく準備過程で、超伝導磁石間の超伝導ケーブルジョイントの不良に伴う磁石焼損インシデントに見舞われた。その修復に 1 年以上費やす試練を経て、 2009 年から運転を再開、 2010 年春からは、 LHC 加速器として、設計値の 50% のエネルギー ( 衝突全エネルギーとして 7 TeV) で、物理実験を開始し順調に実験を進めてきた。 2010 年末には、鉛原子核同士の衝突現象において、鉛原子核構造を反映した極めてユニークな現象を観測する等、着実な成果を上げた。 2012 年春からは、陽子衝突エネルギーを 8 TeV に引き上げ、衝突反応観測積分値を飛躍的に高めた結果、 7 月 4 日に発表された『ヒッグス粒子とみられる素粒子』の歴史的発見に至った [7-8] 。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図 2. LHC における複合粒子加速器 システム　　　　　　　 図 3. 加速器トンネル内に設置された LHC ・対口径主偏向磁石

　日本は 1995 年に CERN-LHC プロジェクトに参加を表明し、準メンバー国となって加速器建設および実験に参加している。加速器建設では、ビーム衝突点における最終収束用超伝導磁石を担当し、物理実験としてはアトラス (ATLAS) 国際共同実験に参加、超伝導技術での貢献として、実験装置中心部に位置するセントラルソレノイド超伝導磁石の開発を担当した。また、日本企業が加速器、実験装置要素の製造参画の道が開かれ、日本企業の技術力を活かし、超伝導ケーブル、磁石構造材、低温システム建設等に貢献した。これら日本企業の貢献を表 1 に示す。
　 一方、 LHC の完成後の 10 年を見通し、加速器性能向上のための、先進超伝導材を基盤とした 10 テスラを越える高磁場磁石技術開発が進展している。 LHC の進展と将来について、日本の貢献を踏まえつつ紹介する。

2. LHC 加速器と超伝導磁石システム

　LHC 加速器は、重心系エネルギーで 14 TeV の陽子・陽子衝突型加速器であり、フェルミ国立加速器研究所 (Fermilab 、米国 ) で 25 年以上稼働し、昨年運転を終了した Tevatron 加速器の 7 倍のエネルギー、 2 桁高いビーム輝度 ( ルミノシティー ) を実現を目指している ( 表 2) 。質量の起源とされるヒッグス粒子の発見、標準理論を越える新たな素粒子物理現象の探索を目的とする。周長 27 km の地下トンネル内に、超伝導技術を駆使したシンクロトロン型加速器を建設した。 NbTi 超伝導材を 1.9 K で用いることにより究極の性能を引き出し、超伝導材での電流密度、 2 kA/mm 2 (@ 9 T, 1.9 T) 、中心磁場 8.3 T( コイル内最大磁場 ~9 T) を実現した。

　 LHC 加速器は、 1232 台の主偏向磁石、 386 台の主収束電磁石、 5000 台を越える多重極、補正磁石および超伝導高周波加速装置等により構成されている。
　加速器円周に沿った 4 箇所のビーム衝突点 ( 図 4) では、物理実験における粒子衝突頻度を高めるため、強いビーム収束系が求められる。 LHC 用超伝導磁石のなかで、耐放射線性を含む総合性能への要求が最も厳しい。衝突点の両側に各 4 台の四極磁石 ( 合計 32 台 ) により強収束レンズ系を構成し、 215 T/m の強磁場勾配を直径 70 mm の口径に発生する ( 図 5) 。コイル内の最高磁場は 8.6 T に達する。磁場精度要求は特に厳しく、半径 17 mm( 口径の 1/2) において、磁場要求性能に対する誤差となる高調波成分が 10 -4 以下に制御されるよう、磁場勾配均質性が求められた。また、衝突点で散乱されたビーム相互作用により誘起されるコイルの発熱が、約 40 W ／台に達すると予想され、これに耐える超伝導、冷却安定性が求められた。高エネルギー加速器研究機構 (KEK 、日本 ) と Fermilab がそれぞれの工夫に基づき開発を分担した [7] 。 KEK での基礎開発、試作を経て、実機超伝導磁石は、日本企業との協力により製作された。 KEK にて全ての磁石の性能検証後、 Fermilab において、クライオスタットに組み込まれ、最終的に、 CERN-LHC トンネル内ビーム衝突点に磁石システムが設置された ( 図 6) 。

図 4 ． LHC 加速器衝突点ビーム収束系、実験の配置

図 6. ビーム衝突点トンネル内に設置された収束磁石

　 LHC 加速器における冷却システムでは、 NbTi 超伝導材を用いコイル内最大磁場 9 T の究極の磁場性能を引き出すため、超流動 He による冷却が採用された。 30,000 トンにおよぶ磁石 ( 冷却 ) 総重量を 1.9 K まで冷却するためには、周長 27 km のトンネルに沿い、 8 箇所の冷却基地を設け、 4.5 K/1.8 kW 冷凍機と 1.8 K/2.4 kW 冷凍機の複合冷却システムが建設された。 1.8 K 冷凍システムは、まず通常の冷凍機システムで準備 された 4.2 K 液体ヘリウムを低温のまま吸入し、 1.5 kPa まで減圧するコールドコンプレッサーにより、飽和蒸気圧温度である 1.8 K を発生させている。コールドコンプレッサーの高効率化において、日本企業によって開発されたコールドコンプレッサー技術が大きく貢献した [8] 。これまでの歴史で、最大のヘリウム冷却システムとなった。

3 ． LHC 物理実験測定器用超伝導磁石システム

　LHC では大規模な 4 つの国際共同実験 ATLAS 、 CMS 、 ALICE 、 LHC-B( それぞれの愛称 ) が組織され、世界各国から研究者が参加し、実験装置の開発を協力して推進した。
　 日本グループは ATLAS 実験に参加し、超伝導技術の立場からは、測定器 ( 図 7) 中央・ビーム衝突点周囲に位置する薄肉超伝導磁石 (Central Solenoid: 中心磁場 2 T) の開発を担当した [4,5,6,9] 。外側に位置する電磁カロリメータのエネルギー分解能を最大限に引き出すため、極限的に少ない物質で物理的にも薄肉な超伝導磁石による磁場発生が要求された。それまでの 20 年間に亘り日本が独自の技術として開発に取り組んだ高強度アルミ安定化技術が大きく貢献した [10] 。純アルミ材に特定の金属を微量添加し、加工硬化を組み合わせることで、電気抵抗を低く保持しつつ機械的に強化した。この結果、アルミ安定化超伝導線材自身で主電磁力を支持することが可能となり、物質的透明化、薄肉化に大きく貢献した。開発された中央ソレノイドコイルは CERN にて、液体アルゴンカロリメータと共用のクライスタットに組み込まれた後、地下ビーム衝突点に建設中の ATLAS 実験装置内に組み込まれた ( 図 8) 。ソレノイドの外側には、大型トロイダルコイルシステムが配置されており、実験装置の周方向に粒子軌道分析に利用可能な磁場、平均 1 T の磁場 ( コイル内最大磁場は 5 T) を発生している。磁場空間は、直径 ~15 m, 長さ ~25 m に及び、蓄積エネルギーは、 1.6 GJ に達する。やはり、アルミ安定化 NbTi 超伝導体が採用された。バレル ( 中央胴部 ) トロイダルコイルシステムは、 2006 年に全 8 組の コイルの励磁試験に成功し、これまでに開発された超伝導磁石において最大磁場空間を達成した [5] 。

図 7. ATLAS 測定器および超伝導磁石システム

図 9. CMS 測定器および超伝導磁石システム

　CMS 実験装置 ( 図 9) では、より強いソレノイド磁場空間を、コンパクトな空間に集中的に発生する設計が採用された [5] 。直径 6 m, 長さ 12 m の空間に磁場 4 T の発生が要求された。蓄積エネルギーは、 2.6 GJ に達する。必然的な導体の大型化の特色を活かし、高強度アルミ構造支持材と純アルミによるアルミ安定化超伝導線を電子ビーム溶接で複合化する新たな技術を開拓した 。 CMS 超伝導磁石は、これまでに開発された超伝導磁石システムにおいて最大蓄積エネルギーを実現した。
　 以上述べたように、 LHC 実験用磁石では、それまでに積み重ねられてきた粒子物理実験用超伝導磁石技術の集大成として高強度アルミ安定超伝導磁石が大きく進展した。図 10 に LHC 計画に至るまでのアルミ安定化超伝導体の進展、大型化の様子を示す。粒子物理実験用磁石に特に求められる粒子透過性、軽量化においてもアルミ安定超伝導線の高強度化にともない、大きな進展があった。表 3 に LHC 実験における超伝導磁石システムのパラメータを纏める [5,10] 。

図 10. 素粒子物理実験用 AL 安定化超伝導体の進展と LHC 実験 ATLAS/CMS 超伝導磁石における超伝導体

表 3. LHC 実験装置における超伝導磁石システム

図 11. ヒッグス粒子が 4 つの電子に崩壊する事象候補 (2012 年、 ATLAS データ [16])

4. ヒッグス粒子と観られる粒子の発見

　LHC 加速器は、 2010 年春から、順調に衝突型粒子加速器として稼働し、非常に安定に稼働を続けて来た。まず、設計値の 50% に相当する陽子衝突・重心系エネルギー 7 TeV での物理実験を推進した。また 2010 年末には、鉛原子核（重イオン）同士の衝突実験で、『二次粒子生成反応におけるジェット消滅現象』を観測し、画期的な結果として注目を集めた [11] 。 2012 年春には、陽子衝突実験において、重心系衝突エネルギーを 8 TeV に引き上げ、実験を重ねた結果、今年 7 月 4 日、最重点課題としていた『ヒッグス粒子とみられる粒子』の歴史的発見の発表に至った。図 11 に、 ATLAS 実験で観測された、ヒッグス粒子が 4 つの電子に崩壊する事象候補を示す。図 12 に、 2 つの光子に崩壊する粒子の質量分布を示す。横軸上 126 GeV 付近にバックグラウンドレベルに対し有意に、『ヒッグス粒子とみられる粒子』のピークが観測されている [12] 。 ATLAS および CMS の二つ国際実験チームによる観測、解析結果として、 99,99999% 以上の確立で、ヒッグス粒子が存在する。今年後半、さらに観測を続けることによ って、年内にもヒッグス粒子と、最終的に確認される公算が大きく、 1964 年に、ピーター・ヒッグス教授 ( 英国エディンバラ大学 ) が存在を予言して以来、約 50 年間、待望されていた『宇宙における質量の起源、宇宙の成り立ち』の解明にむけた歴史的な発見となる。その後、「超伝導ケーブル接続」改良作業を 1 年かけて行い、 2014 年から当初設計エネルギーでの運転、さらなる観測に取り組むことになる。

図 12. 2 つの光子に崩壊する粒子の質量分布。 126 GeV 付近にバックグラウンド事象に対して、明らかに有為な『ヒッグス粒子とみられる粒子』のピークが観測されている。

5. 将来計画

　一方、運転開始 10 ~ 30 年を見越し、長期的な加速器性能向上を目指した技術検討、基礎開発がすでに進められている ( 図 13) 。第一段階として、ビーム衝突頻度を高めるためビーム輝度 (Luminosity を上げる、 High Luminosity LHC (HL-LHC) 計画のための R&D が進んでいる。最大の技術課題が衝突点の最終ビーム収束系の、一層の強収束化、ビームの高輝度化である。収束系磁石を , 現在の 2 倍を越える大口径 ( 150 mm ) 化をめざす。この為には、コイル内での磁場が 10 T を大きく上回る磁石が求められる [13] 。このため、 Nb 3 Sn, Nb 3 Al 等の化合物超伝導体、高温超伝導体 ( 図 14[14] ) を用いた加速器用超伝導磁石の開発が不可欠となり、このための基礎技術開発を、ヨーロッパ、米国、日本が夫々の特色を活かしつつ推進している。日本では，物質材料研究機構 (NIMS) が開拓した「 RHQT: 急熱急冷法」による高電流密度 Nb 3 Al 線材を加速器用超伝導ケーブルとして実用化すべく、 KEK と NIMS の両研究機関が協力して開発を進めている [15,16] 。これからも長期的、地道な取り組みを必要とする。
　 米国では、 Nb 3 Sn 材を用いたモデル磁石開発が急速に進展し、 Nb 3 Sn を用いた四極磁石試作機の開発に成功している ( 図 15)[17] 。日本／ KEK では、ビーム強度／輝度増強に対応し、ビーム入熱に対する冷却特性に優れ、耐放射線性に優れた超伝導磁石開発を分担し、収束磁石と組み合わせ必要となる双極磁石の開発を進めている [18] 。 また、 2030 年以降を視野に入れ、 20 T 級の磁石によって、 ビーム衝突エネルギーを倍増する計画 High Energy LHC(HE-LHC) が議論されている [19] 。

図 13. LHC の将来計画 (HL-LHC, HE-LHC)

Fig. 14. 将来計画で期待される A15 および高温超伝導体

図 15. Nb 3 Sn を用いた大口径収束磁石試作機断面。

6. まとめ

　CERN-LHC 加速器計画では、超流動ヘリウム温度 (1.9K) において NbTi 超伝導材を活用することにより、その性能を最大限に引き出しつつ、これまでの最大規模での超伝導システムが実現した。先端超伝導技術が素粒子物理実験のエネルギーフロンティアを先導する役割を果たしている。全世界の高エネルギー物理研究者、超伝導・低温技術者が結集した国際協力計画として成功を収めている。日本が、一員として貢献できた意義も深い。 2010 年春から本格的な物理実験が開始され、新エネルギー領域で、次々と興味深い実験結果が報告されている。特に、 2012 年、 7 月には『 Higgs 粒子と観られる粒子』の歴史的発見の成果を示している。今後、 2020 年以降を目標とした、さらなる加速器性能向上を目指し、加速器用高磁場超伝導磁石の開発の進展が期待されている。

参考文献

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