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大強度陽子加速器施設「J-PARC」レポート
〜非日常的なハードウェアが満載

J-PARCは茨城県・東海村の海沿いにある巨大な施設


 2008年のノーベル物理学賞で注目を浴びている素粒子物理学。TVやニュースでも多く報道されたので「小林・益川理論」、「素粒子」、「加速器」、「ヒッグス」、「CP対称性の破れ」などの単語を聞いた人も多いのではないだろうか。いずれも身近でない単語ばかりだが、なかでも「加速器」は非日常的なハードウェア群ということもあり、受賞のニュース以降、つくばにあるKEKの実験施設の様子が頻繁に露出するようになった。

 KEKは正式には高エネルギー加速器研究機構という大学共同利用機関で、ニュースで見かける加速器はKEKのBファクトリーだ。Bファクトリーは「小林・益川理論」を実験的に証明し、ノーベル賞受賞の決定打となったものだ。

 東海村では大強度陽子加速器施設「J-PARC」の建設が、2009年4月1日からの始動に向けて進められている。ノーベル賞受賞に伴い、文部科学省がさらなる整備前倒しの方針を固めたというニュースで名前だけは知っている人がいるかもしれない。J-PARCは原子核物理、素粒子物理、物質科学、生命科学、原子力工学の最先端研究を行なう施設で、3つの加速器を軸としている。

 今回紹介するのは、原子核素粒子実験施設に属するニュートリノ実験施設だ。筆者は加速器に興味を持って以降、素粒子物理学などを勉強してみたが、文系出身ということもあり、入口にも立っていないと思う。ハードウェア群がかっこよすぎるという理由から興味を持ったこともあり、そんな視点でのレポートになっている。言い換えれば「文系なりのサイエンス」だ。ちなみにJ-PARCは2度目の見学なのだが、やはり「メカかっこいい」ばかりだったので、あまり構えずに読んでもらいたい。

 補足となるが、素粒子とは物理学において物質の最小単位を示す。現時点ではクォークとレプトンがそれに該当する。初めて素粒子という単語を知ったとき、原子が一番小さいんじゃないのかと思ったが、それは筆者が小学生のときの教科書の話。原子を構成する物質の発見も加速器によるものなのだ。また加速器は簡単に説明すると荷電粒子を加速させ、特定の標的に激突させたり、加速した荷電粒子を対衝突させる装置の総称だ。KEKのBファクトリーやブラックホールで話題となったLHC、そして今回紹介するJ-PARCもそうやってデータを蓄積/検証している。

●金髪先生のインストラクション

 10月18日の見学は中央制御棟でのインストラクションからスタートした。インストラクターはニュートリノ実験施設の設計などを担当する多田将氏。金髪で砂漠戦仕様の迷彩ウェアの出で立ちで博士くさくない博士だ。説明はユニークで、可能な限り噛み砕いて教えてくれる印象だ。ちなみに前回お会いしたときはラメの入った白いシャツ姿であった。

多田将氏は、物理学素人にもユニークにわかりやすく、難解な事象を説明してくれた インストラクション風景。ジョークがタイミング良く入るため、談笑に近い雰囲気だった 中央制御室。PCがいっぱいで自作が好きな人はまずシャッターを連射する

 このインストラクションでは、J-PARC全体の説明と素粒子物理学とはなんぞや、そして当日の見学の内容の紹介が行なわれた。博士曰く加速器を使った素粒子物理学は「素粒子物理学は壁に思いっきりモノをぶつけて、その破片を集めて調べること」。筆者は初めて聞いたとき「車同士を激突させて、特定のネジを探すようなもの?」と想像した。

 ニュートリノ実験施設では、295kmも離れた岐阜県のスーパーカミオカンデにニュートリノを撃ち込み、まだまだ謎の多いニュートリノの性質を調べる。ニュートリノは地球を通過しても反応する確率が0.01%以下なので、それを利用して地中を通過させるわけだ。この長基線ニュートリノ振動実験はすでに2004年までKEKからカミオカンデへのニュートリノ射出(K2K)が行なわれ、99.998%以上の確率でニュートリノに質量の存在が判明している。さらに詳細に実験するべく、J-PARCではK2Kの100倍の強度のニュートリノビームを打ち出す(T2K)。K2K実験のときは1年で数十の観測しかできなかったが、J-PARCから打ち出すニュートリノは毎秒1,000兆個ということもあり、1日でK2K実験の1年分の計測が行なえるとしている。

こんな感じにカミオカンデを狙い撃つわけである

 では、実験の流れを説明しよう。まずニュートリノビームラインで加速された陽子がグラファイト製のターゲットに衝突。すると80%の陽子が反応してパイ中間子が発生する。全長94mのディケイボリュームを通過する段階で寿命の短いパイ中間子は崩壊を起こし、ミュー粒子とミューニュートリノなどが飛び出す。ハドロン吸収体で構成されるビームダンプで崩壊しなかったパイ中間子や中性子、若干のミュー粒子、反応しなかった20%の陽子をフィルタリング。この段階で残るはミューニュートリノとミュー粒子だが、ミュー粒子はハドロン吸収体とニュートリノモニター間にある土中で停止する。最終的にミューニュートリノがニュートリノモニターを通過して、スーパーカミオカンデへと向かう。最後に残ったミューニュートリノがスーパーカミオカンデにある5万tの水に反応したとき、電子ニュートリノに変化するところを観測する。そのデータからいまだ謎の多いニュートリノの性質を調べようというわけなのだ。一連の流れを説明したが、ミュー粒子などは視認できないし、性質などは理解するのが難しいのだが、パイ中間子はガン医療で登場するので知っている人もいるかもしれない。

 ちなみに今回紹介する場所の大半は、J-PARCが稼働後、二度とお目にかかれなくなるところばかりで、その1つディケイボリュームは11月より閉鎖される。

●77tのハドロン吸収体を搬送するスーパーキャリア

 ビームダンプに固定されるハドロン吸収体はニュートリノだけを通すフィルタで、7個のグラファイトブロックをアルミ冷却板で連結したモジュールが14個も組み上げられた高さ5m33cm、重量77tの巨大な「壁」である。そしてハドロン吸収体を搬送するドイツ・ゴールドホーファー製スーパーキャリアも全長15.135mと巨大だ。スーパーキャリアは56本のタイヤを持ち、4つ1組で制御され、厳密な水平状態の維持だけでなく、すべてのタイヤを真横に向けての「カニ走り」も可能。また旋回半径が大きいと考えてしまうが、独立駆動のタイヤのため、見た目以上に小回りが効く。ハンディカムを持って行けばよかったとひどく後悔している。

77tのハドロン吸収体を運搬するスーパーキャリア。ハドロン吸収体に微妙な隙間が設けられているのは熱膨張に対応するため 独立駆動のタイヤを持つため、旋回半径は大きくないので写真では曲がれなさそうだが、切り返しなしで曲がっている スーパーキャリアはゴールドホーファー製。同社サイトではスーパーキャリア以外にもステキな車両が見られる
傾斜が変わる前に何度も水平を取り直していた 車両の操作はハンドルではなく、スティックとボタン 約2.5kmの搬送を終えた先にはまた巨大なクレーンが待っていた
ハドロン吸収体へのフック取り付け後は、長時間にわたる水平確認が行なわれた ハドロン吸収体を設置する場所は地下 設置はおどろくほど早く終了。ハドロン吸収体がスイーっと運ばれていった

●パイプ群が美しいニュートリノビームライン

 ハドロン吸収体の搬入を見届けたあと、ニュートリノビームラインへと移動した。ここは陽子ビームをカミオカンデのある方向へ向けるためのゾーンで、超伝導電磁石などが長距離に渡って設置されている。ビームの大きさは直径3cm程度で、ファイナルフォーカス部で微調整が行なわれ、ターゲットステーションへとビームが誘導されるのだ。見た目の印象は映画やアニメに出てきそうな通路。極太の超伝導電磁石が遠くまで並ぶ様は何度見ても衝撃的である。精密機器ばかりだが、これらはもちろん人が作り出したもので各所には手書きのメモなどがあり、泥臭さのようなものを感じる。実際のところ、実験装置には国内すべての重工業、電機系メーカーが参加し、土木建築にもスーパーゼネコンのすべてが参加する国家的事業なのだ。

長く続く超伝導電磁石 超伝導電磁石内部は写真のようになっている こちらは常伝導電磁石
右にあるものが加速空洞 取材中には作業する人の姿もあった 滝のような冷却用パイプ
電源。通常の給電では追いつかないため、この形状とのこと ダミーなのか不明だが、突然と人間臭い物体が出てくるから面白い
奥に見えるのが超伝導電磁石。陽子ビームの進行方向は奥から手前 ターゲットステーションとのリンク部分

●ターゲットステーションにある巨大容器

 ターゲットステーションは、グラファイト製のターゲット、パイ中間子の進路軌道を修正するための電磁ホーン3台が設置される場所だ。ニュートリノビームラインから入ってきた陽子を元にニュートリノ生成を行なう。ステーション内部には全長15m、幅4m、高さ11m、重量300tのヘリウム容器があり、真空状態の気圧差に耐えつつ、放射線を遮蔽できるように厚さ100mmの鋼板が外殻になっているところもかっこいい。さらに内部には冷却用パイプやコンクリートや鉄の遮蔽体が用意されており、幾何学的に配置されたパイプやバルブなど、その手の人にはたまらない光景も見られる。配列などは多田将氏がああでもないこうでもないとCADで計算し尽くしたもので、これしかないという配置なのだ。偶然ではなく合理性を追求した結果に生まれた美。純粋にキレイだと思ってしまった。

三井造船が製造した重量300トンの巨大なヘリウム容器 多田将氏が持っているものがグラファイト製のターゲット。長さは1mだ 調整中の電磁ホーン。この中にターゲットが設置される
稼働後は人が立ち入っての作業が困難になるため、クレーンを遠隔操作して作業を行なうことになる 操作系統はまだ完全に構築されていなかった ハシゴで内部へ入ったところ
足場は放射線を遮断するためのコンクリートブロック。ところどころ下が見えてこわかった 多田将氏が苦労したという冷却用パイプ。それを作り上げる人たちの技術もすごい 理路整然と配置されているパイプなど好きな人にはたまらない光景

●ニュートリノ砲の砲身にあたるディケイボリューム

 まずディケイボリュームは日本語で「崩壊領域」という。名前からしてかっこいい。その名の通り、ターゲットステーションで発生したパイ中間子が崩壊しながら進む場所で全長94m、厚さ16mmの鉄の箱だ。ディケイボリューム周辺は6mのコンクリートで覆われ、箱の中には冷却用の水冷管が走っている。またT2K実験のニュートリノビームは上下角を変更できるためか、多田将氏は「ニュートリノ砲」と呼ぶことが多い。つまりディケイボリュームは砲身ということになる。このギミックはもちろんJ-PARCだけでカミオカンデへは2.0〜3.0度の角度をつけて撃つことができるのだ。

 そして、94m進んだ先には、先に紹介したハドロン吸収体があり、295km先にはスーパーカミオカンデがある。ノーベル賞受賞もあり、けっこうなメディアが訪れたのではないかと思ったが、10月18日時点ではTVで1社、新聞で1社だけだった。

ディケイボリューム内部。足場が複数用意されていた ディケイボリュームはカミオカンデ方向へ寄るほど大きくなっていく。写真は2008年8月のもの ディケイボリューム内部を移動中。各所のでっぱりは冷却するためのパイプ。熱流動の関係で上部のみ太くなっている
ちなみに8月に訪れたときはまだハドロン吸収体が設置されてなかったので、ライトはなかった 設置されたハドロン吸収体。この先にスーパーカミオカンデがある

●ニュートリノ、素粒子物理学といえば日本だったりする

 素粒子物理学において日本は最前線に立っている。とくにニュートリノの分野ではスーパーカミオカンデとJ-PARCがあるため、必然的に世界中の科学者が集まってくるのだ。見学中にも電磁ホーンへの測定器取り付けは欧米の人たちが行なっていた。国内の科学者の海外流出を憂う声もあるが、彼ら科学者は「アレができるから、その施設へ行く」という考えで、国籍や人種などを意識していないのだ。LHCの次は「国際リニアコライダー計画(ILC)」がある。これも加速器で宇宙の謎を解き明かすためのもので、官房長官が誘致に前向きな姿勢を述べた。

 長野の某そば屋の店長が加速器について熱っぽく話していたことを思い出す。あまり人に知られることのない世界だが、ノーベル賞によって少しだけだが知ろうとする人が増えたと思う。今回の記事で興味を持ってくれたのなら、インターネットで検索してみるのもいいし、書籍を探してみるのもいい。なにも素粒子がどうこうを厳密に知る必要はなく、筆者みたく琴線に触れた部分から知るだけでもいいのだ。それだけでも現場で戦う人たちは喜んでくれると思う。またKEKは夏場になると見学会を開いている。そちらもぜひ参加して、肌で最先端技術を感じてほしい。生で見てみると「なんじゃこりゃぁ」と圧倒されて楽しいのだ。

□高エネルギー加速器研究機構
http://www.kek.jp/

(2008年11月10日)

[Reported by 林 佑樹]

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