大型ハドロン衝突型加速器（LHC）とは CERNの世界最大粒子加速器と陽子衝突研究
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、世界最大かつ最も強力な素粒子加速器です。欧州原子核研究機構（CERN）によって建設された。地下に建設された巨大な円形トンネルです。トンネルの長さは１７マイル（２７キロ）、地下５０メートルから１７５メートル。スイスとフランスの国境の下にある。100カ国以上から1万人の科学者と技術者が参加し、104億スイスフラン（100億ドル）の費用をかけて建設された。現在では世界最大規模の複雑な実験研究施設となっている。
LHCでは、その名の通りハドロンの衝突を研究しています。ハドロンとは、素粒子の強い力に支えられた多数のクォークからなる粒子のことです。ハドロンの例としては、陽子と中性子があります。LHCでは、主に陽子の衝突を実験に利用しています。陽子は正の電荷を持つ原子の一部です。LHCは、これらの陽子を光の速度に近くなるまでトンネルを通って加速します。異なる陽子は、トンネルを通って反対方向に導かれます。それらが衝突すると、初期の宇宙に似た状態になります。
LHCは素粒子とその相互作用を研究しようとしています。研究者たちは、量子物理学を学ぶためにLHCを使用してきましたが、空間と時間の構造についてもっと多くのことを学びたいと考えています。研究者たちが行うことができる観測は、ビッグバン後のミリ秒以内に宇宙がどのようなものであったかを知るのに役立つでしょう。
基本構成と技術
LHCは直径約27キロのリング状トンネルの中で、陽子や重イオンのビームを周回させて衝突させます。主な技術要素は以下のとおりです。
- 超伝導電磁石：数千本の超伝導ディップール磁石（合計で約1,232本のディップール等）がビームを曲げ、ビームラインを制御します。磁石は超低温（約1.9ケルビン）に冷却された液体ヘリウムで冷やされ、超伝導状態で動作します。
- 加速器チェーン：陽子は複数の前段加速器（イオン源、LINAC、PS、SPSなど）を経てLHCに注入され、段階的にエネルギーを上げられます。
- RF空洞とビーム制御：高周波電場（RF）でビームを加速し、精密なビーム計測・安定化システムで衝突点に集束させます。
- 巨大検出器群：衝突で生まれる粒子を捕らえるための多層検出器が設置されています（主要検出器は下記参照）。
主な実験装置（検出器）
LHCには複数の大規模実験が配置され、それぞれ異なる物理課題に特化しています。代表的な4つの検出器：
- ATLAS（汎用検出器） — 幅広い新物理探索を目的とする最大規模の検出器の一つ。
- CMS（汎用検出器） — ATLASと競合かつ補完する役割で、異なる設計で同じ現象を独立に確認可能。
- ALICE（重イオン衝突向け） — 重イオン同士の衝突で生成されるクォーク・グルーオンプラズマの研究に特化。
- LHCb（B物理学・CP対称性） — B中間子などを精密測定し、物質と反物質の非対称性（CP違反）を調べる。
運転エネルギーと成果
運転エネルギーはランにより段階的に向上してきました。初期のRun‑1では中心質量エネルギーが7–8 TeV、Run‑2では13 TeV（ビームあたり約6.5 TeV）で運転されました。将来的なアップグレード（HL‑LHC）では、衝突の「ルミノシティ」（イベントの発生率）を大幅に上げ、より多くの希少過程を観測できるようにする計画です。中心質量エネルギーはおおむね14 TeV程度を目指すことが想定されています。
主要な成果の一つに、2012年にATLASとCMSがヒッグス粒子の発見を発表したことがあり、ヒッグス理論の実験的確認は素粒子物理学における画期的な出来事でした（この業績に対して2013年にヒッグスとエングラーがノーベル賞を受賞）。その他にも標準模型の精密検証やB物理、重イオン衝突によるクォーク・グルーオンプラズマ研究など、多岐にわたる成果が積み上がっています。
データ処理と国際協力
LHCの実験は膨大なデータ（毎年数十ペタバイト規模）を生成します。このためデータ解析は世界各地のコンピューター資源を結ぶ「Worldwide LHC Computing Grid（WLCG）」などを通じて分散処理され、数千人規模の研究者が共同で解析を行っています。運営・解析には100以上の国と多様な機関が参加する大規模国際協力が不可欠です。
将来計画とアップグレード
HL‑LHC（High‑Luminosity LHC）は2020年代後半からの稼働を目指す大型アップグレードで、検出器や加速器の改良により累積ルミノシティを十倍程度に増加させることを目標としています。これにより、より希少な過程の探索やヒッグス粒子の性質の高精度測定、新物理の探索感度が大幅に向上します。
安全性と誤解
LHCに関しては稀に安全性についての誤解（小型ブラックホールの生成、地球破壊など）が伝えられますが、専門家の検討によりこれらのシナリオは実証的に否定されています。宇宙線は地球や人体を常に高エネルギーで襲っており、LHCの衝突エネルギーは自然界で既に起こっている現象の範囲内にあります。また、仮に極めて小さなブラックホールが生じうる仮説があったとしても、理論的には極めて短時間で崩壊すると予想され、安全性に問題はないと評価されています。
まとめ
LHCは単なる巨大機械ではなく、宇宙や物質の根本原理を探るための国際的な研究インフラです。ヒッグス粒子の発見をはじめとする多くの成果は、私たちの物理学の理解を深め、新たな疑問と探究の道を開いてきました。今後のアップグレードと長期運転により、標準模型を超える新物理の手がかりが得られる可能性が期待されています。
CERNの大型ハドロン衝突型加速器の地図
どのように動作するか
LHCは水素原子をイオン化して陽子を取り出す。水素原子は、1つの陽子と1つの電子だけで構成されています。水素原子をイオン化するときには、1個の電子を取り除いて正味の正電荷を与えます。そして、水素の陽子は電磁石によって円の中に導かれます。電磁石を強力にするためには、非常に冷えていなければなりません。トンネルの中は液体ヘリウムで冷やされています。絶対零度以上の温度に保たれています。陽子は光速に近い速度で互いにぶつかり合い、E=mc2でエネルギーに変換されます。そして、それが反転して質量を作ります。衝突現場には4層の検出器があります。爆発は各層を通過し、各検出器は反応の異なる段階を記録します。
粒子同士がぶつかると、そのエネルギーがさまざまな粒子に変換されます。検出器のデータを注意深く見ることで、科学者は粒子が何でできているのか、粒子がどのように相互作用しているのかを研究することができます。粒子を作るためには非常に高いエネルギーが必要なため、これが唯一の検出方法となっています。LHCの粒子衝突は、必要なエネルギーを持っています。
LHCには3つの主要な部分があります。粒子加速器、4つの検出器、そしてグリッドです。加速器は衝突を起こしますが、その結果を直接観測することはできません。検出器はそれを使えるデータに変換してグリッドに送ります。グリッドは、研究者がデータを解釈するために使用するコンピュータネットワークです。36カ国に170か所あり、そこには通常のデスクトップコンピュータで埋め尽くされています。これらのコンピュータはすべて接続されており、それらが一緒になってスーパーコンピュータとして機能しています。LHCのグリッドは、これまでに作られた中で最も強力なスーパーコンピューターと考えられています。コンピュータは処理能力とデータ保存領域を共有しています。
グリッドは非常に強力ですが、検出器から受信したデータの約1パーセントしか取り込むことができません。その限界が、LHCが量子力学について教えてくれたことを利用して、より高速なコンピュータを作るために量子コンピュータを作るという試みの動機付けになっています。
科学者たちはLHCを使って、標準模型では存在すると予測されていたヒッグス粒子を発見しました。
LHCにブラックホールができると非常に危険だという意見もありました。心配しなくてもいい理由は2つあります。1つ目は、LHCは毎日地球に降り注ぐ宇宙線にはないことを何もしていないし、その宇宙線がブラックホールを作ることもないということです。2つ目の理由は、仮にLHCがブラックホールを作ったとしても、それは非常に小さいものであるということです。ブラックホールが小さければ小さいほど、その寿命は短くなります。非常に小さなブラックホールは、人を傷つける前に蒸発してしまいます。
LHCは2008年9月10日に初めて使われましたが、冷却装置が壊れて動かなくなりました。荷電粒子を動かすのに役立つ磁石が冷えていなければならない。この故障により、施設の一部が崩壊した。研究室は冬の間閉鎖され、衝突型加速器は2009年11月まで使用されませんでした。その間、科学者たちはテバトロンを使ってヒッグス粒子を探していました。2009年11月にLHCが再稼働すると、陽子を1.18 TeV（テラエレクトロンボルト、1兆電子ボルト）まで加速し、速度の新記録を打ち立てました。2010年3月30日には、3.5 TeVの衝突を起こしました。
質問と回答
Q:大型ハドロン衝突型加速器（LHC）とは何ですか?
A:LHCは、世界最大かつ最も強力な粒子加速器です。欧州原子核研究機構（CERN）が建設したもので、地下に作られた巨大な円形のトンネルです。
Q:LHCはどこにあるのですか?
A: LHCはスイスとフランスの国境のすぐ下にあり、長さ27キロメートル、地下50-175メートルのトンネルを掘っています。
Q:プロジェクトに携わったのは誰ですか?
A:100カ国以上から集まった1万人の科学者・技術者が協力して作り上げました。
Q:建築費はどのくらいかかったのでしょうか?
A:プロジェクトは104億スイスフラン（約100億円）でした。
Q:LHCの実験では、どのような粒子が使われているのですか?
A:LHCの実験では、主に陽子を使用します。陽子とは原子の中の正の電荷を帯びた部分で、トンネル内を光速近くまで加速される。
Q:この施設を使って、科学者は何を学びたいのでしょうか?A: 科学者たちは、量子物理学をさらに学び、ビッグバンから数ミリ秒後の空間と時間がどのようなものであったかを洞察することを期待しています。
