CERN の物理学者たちは、ヒッグス粒子を前例のないほど詳細に研究し、新しい物理学を探索するために使用される、直径 100 km の巨大な粒子加速器の青写真を公開しました。 今日、ジュネーブの近くにある既存の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) と連結される地下の粒子衝突型加速器である未来円形加速器 (FCC) の概念設計報告書が発表されました。
LHC が 2008 年に初めてスイッチを入れて以来、円周 27 km の粒子加速器は新しい粒子の探求のために、13 TeV までのエネルギーで陽子を互いにぶつけ合ってきました。 2012年、物理学者は質量125GeVのヒッグス粒子を発見したと発表した。 この結果、ヒッグス粒子の理論的予測に成功したFrançois EnglertとPeter Higgsが2013年のノーベル物理学賞を受賞しました。 しかし、それ以来、超対称性パートナーなど、標準理論を超える粒子は見つかっていません。
LHCが最終的にオフになるまで、まだ数十年間稼働する一方で、物理学者は30年以上にわたり、いつかLHCの後継となりうる線形加速器のR&Dを行ってきています。 超伝導空洞を使って電子と陽電子を加速する国際リニアコライダー（ILC）は、その代表的な設計の1つである。 電子と陽電子は基本粒子なので、LHCの陽子と陽子の衝突よりもきれいな衝突が起こり、粒子を詳細に研究するのに理想的です。
日本はILCを受け入れることに興味を示している唯一の国ですが、日本政府はこの装置を受け入れるかどうかを決定する際に足を引っ張ってしまっています。 このため物理学者は最近ILCの設計を500GeVから250GeVに縮小せざるを得ず，日本政府は3月にILCをホストするかどうかの最終決定を下す見込みである。 たとえば，1989年から2000年まで，CERNは大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）を運営していました。LEPは，現在LHCが入っているのと同じトンネル内にあり，ZおよびWボゾンの精密測定を実施しました。 また、ヒッグスの質量が比較的小さいことを考えると、円形加速器は、500GeVの高エネルギーで運転する加速器に影響を与えるシンクロトロン放射による大きな損失を被ることなく、より高いルミノシティを生成できるだろう。
精密な研究
FCCプロジェクトは2013年にヨーロッパの粒子物理学のコミュニティによって始まり、翌年、報告書に向けた作業を開始すべくジュネーブで会議が開かれた。 新しい4巻の概念設計報告書は、100kmの円形コライダーの建設の実現可能性に注目し、そのような潜在的な機械が実行できる物理を検証している。 まず、電子・陽電子衝突型加速器（FCC-ee）を収容する100kmの地下トンネルを建設することを求めています。 この機械は、ビームを加速するための80kmの偏向電磁石と、リングの2点で衝突させる前にビームを収束させる四極電磁石で構成されるだろう。
FCC概念設計報告書は驚くべき成果である。 それは、基礎物理学の知識を向上させ、社会に広く影響を与える多くの技術を進歩させる、FCC のとてつもない可能性を示している。
Fabiola Gianotti
約 90 億ドルの費用がかかると推定される FCC-ee は、そのうち 50 億ドルがトンネル建設に使われる予定で、15 年間にわたり 4 つのエネルギーで運転される。 衝突型加速器は91GeVで始まり、4年間で約1013個のZボゾンを生成し、その後160GeVで2年間108個のW+とW-粒子を生成する。 W粒子とZ粒子はすでにLEP衝突型加速器で測定されているが、FCC-eeはそのような測定を一桁向上させると見積もられている。
その後240GeVで3年間運転し、FCC-eeは100万のヒグス粒子を作ることに集中するだろう。 これによって物理学者は、LHCで現在可能なものより1桁高い精度でヒッグス粒子の性質を研究することができるようになります。 最後に、衝突型加速器は1年間停止し、約360GeVで運転し、5年間で100万組のトップとアンチトップのペアを生成する準備をすることになります。
一旦FCC-eeの物理プログラムが完了すると，LEPがLHCへの道を作ったのと同じように，同じトンネルが陽子-陽子衝突型加速器（FCC-hh）のために使われるかもしれないのです。 「FCCは、LEPとLHCのアクションリプライかもしれません “とキングス・カレッジ・ロンドンの理論家ジョン・エリスは言います。 「陽子-陽子衝突型加速器は新しい粒子を発見する最良の機会を提供するだろう」と言う。
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FCC-hh は LHC とそのプレインジェクター加速器を使用して、LHC の 7 倍である 100 TeV のトップエネルギーに達することができるコライダーへ供給することになるだろう。 しかし、そのような衝突エネルギーを生み出すには、より高い磁場で動作する新しい磁石を開発し、衝突装置の周りでビームを操縦する必要があります。 LHCでは現在、ニオブチタン（NbTi）合金製の8Tの超伝導磁石が使われている。 超伝導磁石は、電気抵抗によるエネルギー散逸がなく、大電流を流すことができるため、使用されている。
現在LHCは、ルミノシティ（粒子衝突の割合を示す指標）を10倍向上させるために、2年間の停止期間中である。 高輝度LHC（HL-LHC）と呼ばれ、11TのNb3Sn超伝導二極磁石を使用して、この材料をテストすることを目的としています。 しかし、16Tで使用する前に、さらに多くのR&Dを行う必要があります。R&Dの必要性と磁石の高い建設費を考えると、LHCの総コストが約130億ドルであるのに対し、FCC-hhの推定コストは約150億ドルです。
FCC-hhの積算光度は約15-20 ab-1で、LHCで生成される光度より5-10倍高く、1010個のヒッグスボゾンが生成されたことに相当します。 また，LHCよりも質量の大きな新粒子の探索や，WIMPとして知られる熱的暗黒物質の存在の発見や排除にも利用される予定です。 LHCと同様、FCC-hhは重イオン衝突型加速器としても使用され、39 TeVで鉛イオンを衝突させ、クォークグルーオンプラズマのような効果を研究することも可能です。 この衝突型加速器は、「21世紀の終わりまで研究ツールを提供する」ために、少なくとも25年間は稼働すると見積もられている
「FCC概念設計報告書は、驚くべき成果である。 それは、FCC が基礎物理学の知識を向上させ、社会に広く影響を与える多くの技術を進歩させるという途方もない可能性を示しています」と、CERN 事務局長のファビオラ・ジアノッティは述べています。 「新しい困難な挑戦を提示する一方で、FCC は、半世紀以上にわたって開発されてきた CERN の専門知識、加速器複合体とインフラストラクチャから大きな恩恵を受けるだろう」
Show me the money
FCC の建設にかかる膨大なコストを考えると、コミュニティからの幅広い支援が必要です。そこで CERN の役員たちは近年、現在 34 カ国 135 機関からなる協力体制を築くことに躍起になっています。 FCCプロジェクトを率いるCERNの物理学者ミヒャエル・ベネディクトは、「この試みをグローバルな共同研究として運営することは、本当に重要なことです」と語る。 「FCCプロジェクトを率いるCERNの物理学者Michael Benedikt氏は、「この試みを世界的な共同研究として運営することは、本当に重要なことです。 1つのオプションは、高エネルギーアップグレード（HE-LHC）でLHCのエネルギーを約30TeVに倍増させることから始めることです。 しかしベネディクトは、HE-LHCをバイパスして、FCCに直行することも可能ではないかと考えている。 この場合、HL-LHC計画はFCCトンネルの建設と並行して進められ、2037年頃に停止することになる。
次のコライダーを作る
新しい円形コライダーの設計を開発しているのはCERNだけではありません。 このトンネルは、100 TeV で動作する陽子-陽子加速器を設置する前に、まず電子-陽電子加速器を設置する予定です。 中国の加速器はFCCよりも早く建設が始まる可能性があるが、ベネディクトは2つの設計には多くの類似点があると言う。 「それは良いことです」とベネディクトは付け加えます。 「中国によるかなりの努力は、これが有効なオプションであり、そのような機械に広い関心があることを確認するものです」
分析。
2012年にヒッグス粒子が発見されて以来、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は大量のヒッグス粒子を生成してきましたが、陽子-陽子衝突は粒子の正確な特性を研究するための最良の方法ではありません。 これは、陽子は素粒子ではないので、その衝突によって破片が生じ、測定の精度に影響を与えるからです。
しかし、電子と陽電子を衝突させた場合はそうではありません。だからこそ素粒子物理学者は、ヒッグス粒子を研究し、標準理論を超える物理のヒントを与える可能性のある小さな偏差を発見しようと、そうした機械を作ろうとしているのです。
電子がリングの周りで加速されるときにシンクロトロン放射によるエネルギー損失を克服する必要があるため，線形加速器は400 GeV以上の衝突エネルギーで円形のものと比較して高いルミノシティ（粒子衝突の割合の尺度）を提供します。
ヒッグス粒子の質量が約500GeV以上であれば，線形加速器が最も良い方法であることにほとんどの人が同意するでしょう。 しかし，ヒッグス粒子の質量が125GeVであるため，かなり大きなルミノシティカーブボールが議事に投げ込まれました。 このため円形加速器が再び検討されるようになり、過去5年間、物理学者たちはそれに代わる可能性のあるものを設計してきました。
円形加速器は巨大な地下トンネルを建設する費用を負担しなければならないが、汎用性と物理学者が何十年もかけて建設してきた経験で補って余りあるものである。 たとえば、同じ 100 km のトンネルを、新しい粒子の探索に使用される 100 TeV で動作する陽子-陽子装置に使用することもできます。
ILC と 100 km 電子-陽電子衝突型加速器の両方の技術は整っていますが、両方の価格が高額なため、すべての設計には大規模な国際協力が必要になります。 実際、日本は 75 億ドルの ILC のコストの半分を提供するだけだと広く理解されている。
可能性として 1 台だけが建設されるとしたら、問題はどちらかである。
戦線は引かれた。