大型ハドロン衝突型加速器

世界最強の粒子加速器、LHC（Large Hadron Collider）。 LHCは、欧州原子核研究機構（CERN）によって、大型電子・陽電子衝突型加速器（LEP）があるのと同じ27km（17マイル）のトンネルに建設されました。 トンネルは円形で、フランスとスイスの国境にある地下50-175mに位置しています。 LHCは、2008年9月10日に最初の試験運転を行いました。 9月18日に発生した冷却装置の電気系統のトラブルにより、絶対零度（-273.15℃、-459.67°F）付近で作動するはずの磁石の温度が約100℃（180°F）上昇した。 LHCはすぐに直るという初期の予測は、過度に楽観的であったことが判明した。 2009年11月20日、LHCは再稼働した。 その後まもなく、11月30日に陽子のエネルギーを1.18テラ電子ボルト（TeV、1×1012電子ボルト）まで高め、フェルミ国立加速器研究所のテバトロンを最も強力な粒子加速器として置き換えたのである。 2010年3月、CERNの科学者たちは、LHCの超伝導ワイヤーの設計に問題があり、LHCを半エネルギー（7 TeV）でのみ稼働させる必要があると発表した。 LHCは問題を解決するために2013年2月に停止し、2015年4月に再稼働して13TeVのフルエネルギーで稼働させた。 LHCの装置をアップグレードする2回目の長期停止が2018年12月に始まり、2021年末か2022年初めに終了する予定である。

LHCの中心はLEPトンネルの周囲を通るリングです。リングは直径わずか数センチ、深宇宙よりも高度に排気され、絶対零度の2度以内まで冷却されるようになっています。 このリングの中では、2本の逆回転する重イオンまたは陽子ビームが光速の100万分の1以内の速度まで加速される。 (陽子はハドロンと呼ばれる重い素粒子に属し、これがこの粒子加速器の名前の由来になっている）。 リング上の4つの地点でビームが交差することができ、ごく一部の粒子が互いに衝突する。 最大出力では、陽子同士の衝突は、これまでの約7倍にあたる最大13TeVのエネルギーで行われます。 各衝突点には、重さ数万トンの巨大な磁石と、衝突によって生じた粒子を集める検出器のバンクが設置される。

このプロジェクトの実現には、1984年に計画を開始し、1994年に最終ゴーサインが出された。 LHCの設計、計画、建設には数十カ国から数千人の科学者とエンジニアが参加し、材料費と人件費で50億ドル近くが費やされました。

LHCプロジェクトの目標の1つは、ビッグバンモデルに従って宇宙の最初の数瞬間に起こった極限状態を再現することによって物質の基本構造を理解することである。 何十年もの間、物理学者は基本粒子に関するいわゆる標準モデルを使ってきました。これはうまく機能してきましたが、弱点もあります。 まず、最も重要な点として、なぜ一部の粒子に質量があるのかが説明できない。 1960年代、イギリスの物理学者ピーター・ヒッグスは、太古の昔に他の粒子と相互作用して質量を持った粒子を仮定した。 ヒッグス粒子は、LHC以前の実験では利用できなかったエネルギー領域での衝突によってのみ生成されるはずであり、これまで一度も観測されたことはなかった。 LHCで1年間衝突を観測した後、2012年に科学者たちは、約126ギガ電子ボルト（10億電子ボルト）の質量をもつヒッグス粒子と思われる興味深いシグナルを検出したと発表しました。 そして、さらなるデータによって、この観測結果がヒッグス粒子であることが決定的になったのです。 第二に、標準模型はいくつかの恣意的な仮定を必要としますが、一部の物理学者は、超対称性粒子のさらなる種類を仮定することによって解決できるかもしれないと提案しています。 最後に、粒子と反粒子の間の非対称性を調べることで、もう一つの謎、すなわち宇宙における物質と反物質の間の不均衡を解明する手がかりが得られるかもしれません。 今すぐ購読する