ATLAS ExperimentATLAS実験
「真空・時空」の解明
初期宇宙の進化への実験的アプローチ
概要
ATLASとは、CERN（欧州合同原子核研究機構）のLHC（大型ハドロン衝突型加速器）を用いて行われている実験プロジェクトであり、素粒子を探索する検出器の名称でもあります。ATLAS検出器は、全長46m・直径25m・重さ約7,000トン、約1億チャンネルのセンサーが組み込まれた巨大な精密測定装置で、ヒッグス粒子を発見した2台の検出器のうちのひとつです。
LHCは、陽子を世界最高エネルギーまで加速して衝突させ、素粒子現象を実験的に観測するための円形衝突型加速器です。陽子同士の衝突エネルギーは、ヒッグス粒子発見時（2012年）で8TeV（テラ電子ボルト）。当時すでに世界最高でしたが、2015-2018年の第2期実験（Run2）には13TeVで運転し、2022年から始まった第3期実験（Run3）では13.6TeVに到達しました。
2019-2021年の加速器運転停止期間中に入射加速器群を大幅に改良し、検出器もトリガーを中心としたデータ収集系のアップグレードを行った結果、年間蓄積データ量が大幅に増加し、Run3のデータ収集を進めることができました。このデータを使って、暗黒物質（ダークマター）の候補となる超対称性粒子の発見や、ヒッグス粒子の自己結合定数の測定に向けた研究を加速させてきました。宇宙初期に生じたと考えられる宇宙進化の鍵を、直接的かつ実験的に研究しています。
ATLAS実験は、世界40ヶ国から177の大学・研究機関が参加する国際共同研究プロジェクトです。大学院生・技術専門家を含む約5,900名の研究者が携わり、ヒッグス粒子の精密測定や「標準理論」を超える新物理の探索に力を注いでいます。日本の13の大学・研究機関からも、研究者・学生およそ160人が参加し、「ATLAS日本グループ」として海外の一流の研究者たちと肩を並べ、最先端の研究を進めています。そのうち40人ほどの研究者・学生が本センターから参加しています。
ATLAS日本グループは、1994年4月の発足以来、実験の中心的役割を担っています。ATLAS検出器の立案設計に関わったほか、日本企業の協力のもと、超伝導ソレノイド、シリコン飛跡検出器、ミューオン検出器などを建設してきました。また、2009年からの本格的な衝突実験データ取得に向けて、2006年度に「ATLAS地域解析センター」をセンター内に構築し、物理解析を推進してきました。ヒッグス粒子発見における日本の物理解析チームの貢献は、世界的に高く評価されています。現在に至るまでRun2,Run3の実験データを用いたデータ解析を進めており、ヒッグス粒子の性質の測定や、超対称性粒子の探索をはじめとする多くの優れた成果を発表してきました。
現行実験のデータ取得・物理解析と並行して、2030年開始予定の高輝度LHC（HL-LHC）実験の準備も進めています。HL-LHCでは陽子衝突頻度を現在の約3倍に高めると同時に、ATLAS検出器や計算機システムの性能を大きく向上させます。これらの改善により、HL-LHC実験では積分輝度にして2,500fb-1に相当するデータを蓄積することがが可能となり、新粒子探索範囲のさらなる拡大、測定の高精度化を進めていきます。本センターは、高速・高効率・高精度を実現する新しいトリガーエレクトロニクスや、人工知能・量子コンピュータ技術の開拓による次世代コンピューティングモデルの開発に挑戦しています。
微細な素粒子を見るのに欠かせない巨大な加速器とは？
CERNのLHCは、全周が山手線一周とほぼ等しい27kmと非常に巨大な「加速器」です。
「加速器」とは、粒子を加速させて運動エネルギーを高める装置のことです。高いエネルギー下で、素粒子はさまざまな振る舞いを見せます。微細な素粒子を見るために巨大な設備が必要になるのは、「小さなものを見ようとすればするほど、より高いエネルギーが必要になるから」です。素粒子物理学の歩みは、加速器開発の技術の進展なくして考えられず、1930年代ごろから、物質の根源の探求に加速器が使われるようになりました。LHCでは、複数の素粒子からなる陽子を、時計回りと反時計回りに加速して正面衝突させ、世界最高の衝突エネルギーを実現しています。
現代の素粒子物理学や宇宙論では、加速器でつくり出される高エネルギー状態は、宇宙誕生直後の状態にきわめて似ていると考えられています。LHCが生み出す世界最高エネルギーは、宇宙誕生直後の約1兆分の1秒の世界を、ほんの一瞬ではあるものの再現できるとされています。
