素粒子実験領域，素粒子論領域，実験核物理領域合同シンポジウム LHCが開く新たな地平 LHC計画とLHC加速器 2007年3月25日近藤敬比古（ＫＥＫ） 1 アルプス山脈レマン湖ジュネーブ市ジュネーブ空港 CERN LHCトンネル周長 27km (山手線34km) 地下深さ～100m 2 LHC計画の主な歴史 1984.3 LHCに関するローザンヌワークショップ。 1988 Rubbia委員会ではLHC計画の優先を選択。 1990-94 LHC計画ワークショップ、実験提案 1994.12 LHC計画の承認。ただし10 → 14 TeVの２段階で。 1989 SSC建設開始 1993.10 SSC建設中止 1995.5 日本による第１次建設協力（50億円）の発表。 1996. インド（$12.5M）ロシア（67MCHF ）カナダ（Can$30M ）の建設協力 1996.12 日本の第２次建設協力（38.5億円） LHCを2005年に一段階で建設する決定。 ATLAS、CMSの承認。 1997.12 アメリカの建設協力の決定 (加速器に$200M、測定器に$331M) 2000.11 LEP運転終了 1998.5 日本が第３次建設協力発表（50億円）。 2001-02 LHC建設コストの増加問題が発生。LHC完成を2007年に変更。 3 CERN理事会で建設強力を発表する日本政府代表団文部大臣（当時）与謝野馨達磨（片目！） CERN 所長（当時） Chris Lewellyn Smith １９９５年６月２３日のCERN理事会に与謝野馨文部大臣（当時）が出席し、日本による50億円のLHC加速器建設協力を宣言した。CERN非加盟国では日本が建設協力の先陣を切り、LHC計画が全世界的規模のプロジェクトになった。 4 開発準備期間12年 LHC計画の主な歴史 1984.3 LHCに関するローザンヌワークショップ。 1988 Rubbia委員会ではLHC計画の優先を選択。 1990-94 LHC計画ワークショップ、実験提案 1994.12 LHC計画の承認。ただし10 → 14 TeVの２段階で。 1989 SSC建設開始 1993.10 SSC建設中止 1995.5 日本による第１次建設協力（50億円）の発表。 1996 インド（$12.5M）・ロシア（67MCHF ）・カナダ（Can$30M ）の建設協力建設期間11年 1996.12 日本の第２次建設協力（38.5億円） LHCを2005年までに一段階で完成する決定。 ATLAS、CMSの承認。 1997.12 アメリカの建設協力の決定 ($200M) 1998.5 日本が第３次建設協力発表（50億円）。 2000.11 LEP運転終了 2001-02 LHC建設コストの増加問題が発生。LHC完成を2007年に変更。（2007.11 450+450 GeVのテスト運転） 5 LHC 加速器の主要パラメーターリング周長陽子ビームエネルギー最高ルミノシティー（輝度）バンチ衝突間隔主リングダイポール磁場、長さ重イオン（208Pb82+）ビーム pp Luminosity f N 26.6 km 7.0 TeV 1034 cm-2s-1 25 nsec 1232台 8.33 Tesla , 14.2 m 2.76 TeV/nucleon   4010  10 34 2 1 L   10 cm s 2 4 XY 4  16m 2 B 6 11 2 285 rad x=y=16.7m, z=7.55mm 6 Cold-mass 1.9K thermal shield 50K 194 LHC主リングダイポールマグネット 2-in-1型, B=8.33T, T = 1.9K（超流動He温度） 7 Progress of the LHC machine 主リングダイポールマグネットの製造・検査・据付の進展コイル部分の納入台数 180 training quench distrib. 01 02 03 170 160 150 140 Number of cryo-dipoles 130 120 110 100 90 励磁検査済台数 80 70 60 50 40 トンネルに据え付けられたダイポールマグネット台数 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 not reached Number of quenches to reach 8.33 T 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 8 2006年11月27日 1624台の主リング超伝導マグネットがすべてCERNに納入された。 9 マグネットのトンネル据付作業 25台/week Alignment Welding Inspection Transportation 10 衝突点フォーカス用超伝導四重極マグネット日本のLHC加速器建設協力 KEKで開発・設計・製造された。磁場勾配： 215 T/m 長さ：5 m, 口径：70 mm この技術はJ-PARCのニュートリノビームに応用されている。東芝工場でのコイル巻き作業衝突点 KEK製 Fermilab製 KEKでの性能テスト CERN LHCトンネル内 Fermilab 11 最初の大規模なセクター冷却テストが進行中マグネット平均温度 1月15日 2月6日 2007年1月15日から始まったオクタント（sector 7-8）の冷却テストの経過 7 2 8 300K (1/15) → 80K (2/6) → 20K (2/26) → 4.5K (3/7) → 1.9K(もうすぐ) 12 LHC加速器運転の近未来予定 2007年3月最後のマグネットの据付終了 2007年8月末加速器をclosedにする 2007年11月 First collisions @ S  900 GeV 2008年6月 First collisions @ S  14 TeV 2008年末まで -1 L  2  4 fb  2009年末まで -1 L  O ( 10 ) fb  2010年以降 L = 1034 cm-2s-1→ -1 L  100 fb 年  2007年3月現在、この予定より５週間の遅れが生じている。 13 LHCプロジェクト予算規模（概算）建設運転 LHC加速器と土木工事実験装置(factor ×1.5込み) ATLAS 529 MCHF CMS 518 MCHF ALICE 125 MCHF LHCb 75 MCHF CERN人件費（LHC分）総計 2950億円 1683億円 886億円～ 5500億円 CERNの経費（計算機含む） 225億円/年外が出す実験運転経費（4実験を含む) 40億円/年総計～ 265億円/年 14 LHC計画の目的（１）標準模型の最後の未発見粒子ヒッグス粒子を発見しその性質を調べる。 → 質量の起源やEWSBの起因の探求グラショー・ワインバーグ・サラムの電弱統一理論基礎方程式はゲージ対称だが、現実はヒッグス場の存在によって自発的に対称性が破れているとする。実験といろいろな理論による予想領域 mH = 114.5 ～ 1000 GeV ← LHCの到達範囲 v  1/ 2GF  246 GeV 15 LHC計画の目的（２） BSM 標準模型を越える物理を研究する。 f H H f  mH2   2L2cutoff  6m2f lnLcutoff / m f   ..... 2 16 ヒッグス粒子の量子質量補正 2 糸口は階層性問題の解決 ① 超対称性粒子でL2項をキャンセルする 1 TeV領域にSUSY粒子がうようよ存在する。 LSPは暗黒物質のよい候補。 ② 1～10 TeVに新物理がある・ Little Higgsモデル・大きな余剰次元モデル・・ 16 山口昌弘氏(東北大）の発表(2003.5)より借用 17 ＬＨＣ山口昌弘氏(東北大）の発表(2003.5)より借用 18 宮沢弘成先生いわく・・・・超対称の誕生宮沢弘成 ………………………… この相対論的超対称は物理でないと思った。自然界では超対称の片鱗さえも伺えない。超対称ならばすべてフェルミ、ボーズ粒子は縮退した超多重項をつくるはずだが、そうはなっていない。相対論的超対称は理論上可能だが、実際は実現されない対称であろう。 …………………… 超対称はローレンツ群を拡張したものであり、基本対称ではないのである。基本のローレンツ不変性はどこまでも成り立っているようだが、拡張された空間反転、時間反転はいずれも不変ではない。超対称も同様であろう。窮極においても超対称ならば、窮極の素粒子がフェルミオンとボゾン両方がなければならない。これは窮極素粒子は極めて少ない（フェルミオン一元論）という原理に反する。数理科学 2007年3月号より転載 19 まとめ  LHC計画は1994年にCERN加盟国で決められ、その後、日本、ロシア、カナダ、アメリカなどの建設協力を得て、欧州ベースの世界規模のプロジェクトとなった。  日本は非加盟国の先頭を切ってLHC計画への出資を宣言した。  LHC加速器はpp衝突で ECM=１４TeV, L=1034 cm-2s-1を実現する。  1232台の超伝導ダイポールマグネットの製造・検査は完了し、トンネル内据付がほぼ終わりつつある。現在1/8セクターの冷却・励磁テストが進行中である。  予定では、2007年末に900GeVのpp衝突テストを経て、2008年中ごろに14TeVのpp衝突実験が始まる。 20 バックアップ資料 21 ＣＥＲＮ (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire）・欧州合同の高エネルギー粒子物理学研究所・欧州２０カ国が国民総生産に比例して出資・年間予算 1000億円・1954年設立・職員数 2500人・利用者数全世界から6千人 - LEP, LHC ・加速器：PS, ISR, SPS (SppS), Webの誕生地！！ CERN ジュネーブ 1990年末にCERN職員Tim Berners-Lee氏は、世界中に分散している実験のチームメンバーの研究者間で、瞬時に同じ情報をアクセスするにはどうしたらよいか悩んだ末、Web の発明に至った。最初のWebに使われたパソコンは NeXTStepと呼ばれたもの。 22 LHC Tunnel 周長 27 km ( 山手線 34.5km ) 23 15.1 mm (both) strand : 28(inner), 36(outer) Rutherford type Cable 11850A @7T outer layer inner layer Strand inner, outer No. of filament ： 8900, 6500 Filament dia.: 7 , 6 m Cu/NiTi: 1.65 , 1.95 Diameter: 1.065, 0.825 mm mm 主リングダイポールマグネットの超伝導コイル部 24 Dipole: integral field Cold mass Firm 1 Firm 2 Firm 3 40 upper limit for single magnet (3 sigma) 10.13 20 10.11 0 10.09 -20 Units Int transf func (Tm/kA) 10.15 lower limit for single magnet (3 sigma) -40 10.07 0 100 200 300 400 500 600 700 Magnet progressive number 800 900 AT-MAS L Evans @SUSY06 25 圧力 He４の状態図 He I 液体ヘリウム He II 超流動状態 1気圧温度(K) Heat Exchanger Tubeの中を真空引きによって温度を下げ、Tubeの壁を通しての熱交換によって 1.9K,1気圧の状態を実現するのがキーポイント。・HeIIの熱伝導率特性は1.9Kが最大である。・超伝導ケーブルの比熱は4.5Kの半分でよりクエンチし易くなる。 1.8K,0.013bar 1.9K,1 bar D B F C 液体He供給（4.6K,3 bar) QRL（cryogenic distribution line) 26 2008 draft schedule  3 months ++ shutdown (no beam)  4 weeks checkout (no beam)  8 weeks beam commissioning  26 weeks -- physics run (protons)  20 days physics  4 days MD  3 days technical stop LHC Hardware Commissioning to 7TeV LHC Machine Checkout LHC Beam Commissioning LHC Physics run LHC Physics run From R Bailey, Jan 2007 LHC Commissioning WG 27 Beam Parameter Evolution at 7TeV/beam accelerator policy : just one change per each stage Parameters Beam levels Rates in 1 and 5 Rates kb N * 1,5 (m) Ibeam proton Ebeam (MJ) Luminosity (cm-2s-1) Events/ crossing Luminosity (cm-2s-1) 43 4 1010 11 1.7 1012 2 1.1 1030 << 1 1.2 1030 43 4 1010 2 1.7 1012 2 6.1 1030 0.76 1.2 1030 156 4 1010 2 6.2 1012 7 2.2 1031 0.76 4.4 1030 936 4 1010 11 3.7 1013 42 2.4 1031 << 1 2.6 1031 936 4 1010 2 3.7 1013 42 1.3 1032 0.73 2.6 1031 2808 4 1010 2 1.1 1014 126 3.8 1032 0.72 7.9 1031 2808 5 1010 2 1.4 1014 157 5.9 1032 1.1 1.2 1032 2808 5 1010 1 1.4 1014 157 1.1 1033 2.1 1.2 1032 Considered to be an all-out maximum with the hardware as installed 28 29