ATLAS EXPERIMENT

ATLAS実験

微細な素粒子をとらえる高精細な眼

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)を用いて行な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7,000トン、1億1,000万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、さらに2015-18年までの第2期実験(Run2)では、設計値に迫る13TeVでの運転を達成しました。Run2に合わせてアップグレードしたATLAS検出器も高効率で稼働し続け、Run2を通じて約1.5京回の陽子衝突に相当するデータを蓄積しました。そのデータ解析により、ヒッグス粒子とトップクォーク・ボトムクォークの相互作用の観測に成功しました。これは、物質の質量起源の解明につながるものです。

現在、LHCは2019-21年の運転停止期間に入り、2022-24年の第3期実験(Run3)に向けて加速器の増強計画が進行中です。ATLAS検出器でも、ミューオン検出器やトリガーアルゴリズム、エレクトロニクスの刷新などが進められています。Run3では、超対称性粒子、暗黒物質(ダークマター)の候補となる素粒子の探索など、宇宙誕生の謎を解明する新発見を目指しています。

ATLAS実験は、世界40ヶ国から180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。約1,200人の大学院生を含む約3,000人の研究者が携わり、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14の大学・研究機関からも研究者・学生およそ180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30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。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合わせ、本センターに「ATLAS地域解析センター」を構築し、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。

Run3の立ち上げと並行して、2027年開始予定の高輝度LHC実験の準備も進めています。高輝度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。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。

地下100mのトンネルに敷設されたLHC
地下100mのトンネルに敷設されたLHC。約1,700台の超伝導電磁石がつくる強力な磁場で陽子ビームを曲げ、髪の毛の1/10ほどの太さに絞り込んで衝突させる。LHCの建設には日本企業の技術面での貢献も大きい。©CERN
LHCの全景イメージ図
LHCの全景イメージ図。全長27kmのLHCに、4つの巨大な検出器ATLAS、CMS、ALICE、LHCbが設置され、衝突によって生み出された粒子をとらえる。©CERN
ATLAS検出器の構成図
ATLAS検出器の構成図。LHCの陽子・陽子衝突点に置かれていて、衝突点から出てきたさまざまな粒子の種類や運動量を高い精度で測定する。©CERN