この衝突型加速器の重要な指標は、実際には納屋に関連している

素粒子物理学において「明るさ」とはどういう意味ですか?

サラ・チャーリー

イェ・リー編纂

校正：Liu Hang

最も暑く乾燥した日であっても、太陽光線は火を起こすには弱すぎます。しかし、虫眼鏡やガラス片があれば、太陽光を火を起こすのに十分な強さの光線に集中させることができます。

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）では、科学者たちは同じ原理を利用して、陽子（場合によっては重イオン）のビームを加速器内の4つの衝突点を通過する前に集中させます。科学者は高エネルギー粒子の衝突を利用して物理学の基本法則を研究し、新しい粒子、場、力を探します。衝突前に陽子ビームを集中させることで、科学者が研究したい衝突イベントの数を急速に増やすことができます。

CERN およびフェルミ国立加速器研究所、ブルックヘブン国立研究所、ローレンス・バークレー国立研究所を含む世界中の科学者、エンジニア、技術者は、米国エネルギー省科学局の高輝度 LHC (HL-LHC) 加速器アップグレード プロジェクトの一環として作業を行っています。彼らは、衝突する陽子をより小さな空間に圧縮する新しい集束磁石を製作しているほか、入射粒子の軌道を修正することで陽子ビームが衝突点で正面衝突するのを助ける新しいステアリング磁石を設計している。

2020年代後半には、科学者たちはターボチャージャー付きのHL-LHCを稼働させる予定だ。このアップグレードにより、研究に利用できる潜在的な衝突イベントの総数が少なくとも 10 倍増加します。

なぜ衝突ではなく明るさと呼ばれるのでしょうか?

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物理学者が粒子の衝突について話すとき、「光度」と呼ばれる量について話しているのに気づいたかもしれません。この指標では、衝突型加速器内で何回の粒子衝突が起こったかを科学者に正確に伝えることはできません。簡単に言えば、明るさは、交差する粒子ビーム内で粒子がどれだけ密集しているかを示す尺度です。圧迫が強くなるほど、粒子同士が衝突する可能性が高くなります。

HL-LHC の 4 つの実験交差点では、推定 2,200 億個の陽子が 25 ナノ秒ごとに別の 2,200 億個の陽子の横をすり抜けます。しかし、大部分の陽子は実際には互いに相互作用しません。今日の最先端のビーム集束技術をもってしても、LHC の円軌道で 2 つの陽子が衝突する確率は、宝くじに大当たりする確率よりはるかに小さい。

陽子は、互いに接触すると跳ね返ったり、裂けたり、バラバラになったりする固体のボールではありません。むしろ、それはさまざまなフィールドとさらに小さな粒子 (クォーク) の寄せ集めです。 （編集者注：粒子の性質については、「粒子とは何か？ 温暁剛のコメント | 不思議の扉」を参照してください）

2つの陽子が互いを通り抜けると、映画「ゴースト」のシーンを再現することになる。そのシーンでは、俳優パトリック・スウェイジが演じる幽霊が、動いている電車に胴体から切り離された頭を突っ込んでも無傷で出てくる。陽子を正面から衝突させることはできますが、陽子同士は相互作用しません。

ゴーストの静止画

2 つの陽子が相互作用した場合でも、それは衝突としてカウントされますか? 2 つの陽子が互いを通過し、交差する電磁場の相互作用によりいくつかの光子を放出した場合、これは衝突としてカウントされますか?これらの迷光子の 1 つが別の陽子の中心に入ったら何が起こるでしょうか? 2 つの陽子が互いに噛み合って、ランダムな粒子を大量に放出し、その後振り出しに戻ったらどうなるでしょうか?

衝突を定義するのはそれほど単純ではないため、物理学者は代わりに明るさを使用することが、おそらくお分かりでしょう。

衝突率

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素粒子物理学および加速器物理学では、明るさは単位時間あたりに検出されたイベント数を反応断面積で割ったものです。

。ここで反応断面積

(断面積、σ) は物理プロセスが発生する確率を反映し、物理プロセスが異なれば断面積も異なります (断面積の次元は面積です)。したがって、単位時間あたりに検出されるイベントの数が多いほど、明るさは大きくなります。

もちろん、イベントを検出する検出器の効率も明るさの測定結果に影響するため、明るさが大きいほど物理プロセスが発生する確率が高くなるわけではありません。粒子衝突イベント率は、入射粒子の数と検出器の効率によって決まります。

単位時間あたりの衝突粒子イベントの速度は「瞬間光度」と呼ばれます。実際、明るさの標準的な定義は瞬間的な明るさであり、物理学における速度が瞬間的な速度を指すのと同じです。

「瞬間的な明るさは、各ビーム内の粒子の数とビームの断面積によって決まります」と、現在CMS実験の明るさ測定に取り組んでいるカンタベリー大学の博士研究員、ポール・ルジャン氏は言う。 「ビームのサイズが小さくなると、1秒あたりの衝突の可能性が高くなる」とルジャン氏は言う。 「明るさの単位は直感的ではありませんが、必要な情報を正確に提供してくれます。」

2017年、LHCは1平方センチメートルあたり毎秒2.06 x 10^34の一時的な明るさを測定し、記録を樹立しました。 （各ビームの陽子数を掛けて、ビーム断面積の時間変化で割ります。最新の記録は、日本のスーパーKEKB衝突型加速器で達成され、瞬間輝度は2.40×10^34cm^(-2)s^(-1)でした。）

科学者が衝突を継続させるために LHC に新たな粒子を補充する場合、ビームを良好な状態に保ち、十分な一時的な明るさを維持するのに十分な粒子を残すように努める必要があります。

LHC の平均充填時間は 10 ～ 20 時間であることを考えると、潜在的な衝突の数は時々急増する可能性があります。したがって、科学者は瞬間的な明るさだけでなく、「積分光度」にも関心を持っています。

「つまり、操作中にどれだけの潜在的な衝突が蓄積されたか、つまり瞬間的な明るさの時間積分である」

。瞬間的な明るさと総合的な明るさの違いは、「現在時速 60 キロメートルで運転しています」と「10 時間で 600 キロメートル運転しました」の違いに似ています。

一般的なレポートで衝突型加速器の明るさについて言及されている場合、それは通常、総合的な明るさを指します。物理学者は、最終的に測定されるイベントの総数にもっと関心を持っています。多ければ多いほど良く、統計誤差は小さくなります (アルゴリズムをさらに最適化して、体系的な誤差を減らすこともできます)。検出イベントの合計数は、統合された明るさに比例します。瞬間的な明るさが高くない場合、同じイベント総数を得るためには、動作時間を延長する必要があります（より多くの費用がかかります）。資金が限られているため、動作時間には上限があり、基本的に固定されているため、瞬間的な明るさを高める必要があります。瞬間的な明るさが高ければ高いほど良くなり、最終的に得られるデータも多くなります。

ユニットは「納屋」

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物理学者は、総合的な明るさについて、平方センチメートルを新しい面積の単位であるバーンに変換しました。これは英語の慣用句「納屋の広い側面を打つことができなかった」を参考にしたものです。

「納屋」という言葉が初めて使われるようになったのは 1940 年代で、原子爆弾の研究に端を発しています。その実際の大きさ（10^(-24)平方センチメートル）は第二次世界大戦後まで公式には確立されませんでした。実際、この数値はウラン原子核の大きさに相当します。他の原子核と比較すると、ウランの原子核は確かに大きいです。ウランの原子核は巨大な「納屋」のようなものです。亜原子粒子の観点から見ると、納屋は非常に大きいため、衝突を避けるのは難しいでしょう。この用語を最初に提唱した二人の物理学者、MG・ホロウェイとCP・パーカーは当時パデュー大学に在籍しており、当然ながら中央アメリカの農地の象徴的な建物である納屋を思い浮かべた。

戦後、当初は機密扱いだった「バーン」は受け継がれ、最終的には原子物理学や素粒子物理学の分野で面積の標準的な測定単位となりました。

もちろん、10^(-15) バーンのような、フェムトバーンと呼ばれる、バーンよりも小さい単位もあります。通常、フェムトバーンは反応断面積の単位でもあります。物理学者は単位変換の達人です。納屋の壁に収まらないほど長い数字は、変換すればポストカードに簡単に書くことができます。

「カフェテリアでのフードファイトを想像してみて」とルジャン氏は言う。 「私たちは、そこにいる人数、カフェテリアの面積とサイズ、そしてフードファイトが続く時間に基づいて、ミートボール爆弾間の相互作用の総合的な明るさを含む、起こり得るすべての相互作用を計算することができます。これにより、ミートボールの反応断面積を計算するのと同じように、誰がミートボールに当たるかを予測できます。」

物理学者は物理法則をテストするために、特定のプロセスの確率に関する予測を実際の実験で測定した結果と比較します。 HL-LHC がアップグレードされるにつれて、科学者たちは陽子の数を増やし、衝突領域の直径を縮小し、陽子の軌道をより正確に調整しています。これらすべての改良により、陽子が LHC の接合部を通過する際に相互作用する可能性が高まります。衝突の確率が高まることで、物理学者は物理学の基本法則を理解する鍵となる非常に稀な物理プロセスを発見し、研究できるようになります。

参考文献

[1] 原著論文：https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-luminosity

[2]https://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html

[3] イラスト提供：アリエル・デイビス、サンドボックススタジオ、