「加速器建設者は初心に帰り、数十年にわたる超伝導RF(SRF)技術のR&Dを見直すべき」と米国ジェファーソン研究所(J-Lab)のGanapati Rao Myneni氏は語る。

超伝導マイクロ波加速技術(SRF)の研究は、いまからおよそ半世紀前にスタンフォード大学で始まった。1994年にJ-Labの連続電子線加速器施設でSRFが大規模に使われるようになったり、2008年までに、SRFのILCの心臓部への大規模な適用が構想されるようになったりしたことは、彼らにとって驚くに値することではない。また、この複雑な技術が依然として加速器建設者にとって様々な頭痛の種であることも驚くには値しないであろう。加速器研究者は今こそスタンフォードの先駆者たちの初心に戻り、40年以上にわたるSRF R&Dの軌跡をもう一度辿るべきだと私は思う。


このような見通しが必要とされるのは、SRF技術が複雑で難しいからだけではなく、不可欠で高価であるためでもある。ILCでは約16,000台のSRF加速空洞が必要になるが、これらは絶対零度まで冷やされると超伝導になる、柔らかく延性ある金属ニオブから製造されるもので、ILCの巨大なコストの主要部分を占めるものである。

ニオブ材によるSRFはまた、オークリッジ国立研究所の核破砕中性子源、米国フェルミ国立加速器研究所(Fermilab)のプロジェクトX、希少同位体ビーム施設、大学研究所向けのコンパクト加速器、インドでの原子力生産のための加速器機動システム、ドイツ電子シンクロトロン研究所(DESY)のXFEL、そして、J-Labの自由電子レーザーなど、第四世代の光源のためのエネルギー回収型線形加速器で利用されているか、利用が計画されている。

スタンフォードでの仕事が始まったころには物性物理学者もSRFの研究に参加したが、その後の展開ではこの分野の研究では非常な専門分化が進み、おそらく進み過ぎたと言ってもよい。SRF研究者は、複雑な空洞設計や空洞の表面処理プロセスに研究生活の大部分を費やしてきた。例えば、ニオブ面の緩衝化学研磨、電解研磨、高圧水洗浄といった、現在標準的とされる表面処理技術の開発や評価に莫大な労力が注がれてきた。また、超伝導空洞の運転に必要な清浄な真空条件を実現するため、真空ポンプが引き起こす汚染をいかにして回避するかにも多大な努力が払われてきた。

これらの仕事の多くはニオブ材の純度の問題に深く関係している。もっとも、1960年代のスタンフォードの先駆者たちの仕事を振り返ってみると、彼らは使っていたニオブの純度をそもそも調べることもしていなかったのが分かる。ニオブは、電子ビーム溶融でインゴット化され、そこから、空洞は削りだしによって製作されていた。そして、ニオブ純度を押さえていたわけではなかったが、彼らはXバンドの円筒型空洞で、高いQ値をもつ良好な空洞性能を実証したのである。

後になって、より大きいLバンドのSRF空洞の製作コストを下げるために、スタンフォードの研究者はニオブ板を使うようになった。彼らは、1800℃で熱処理することで小結晶粒塊のニオブ板の結晶粒塊サイズを拡大し、粒塊境界の亀裂を起こしにくくし、そこへの水素の吸着を軽減することに成功した。結晶粒塊境界や部材表面に吸着される水素は、今日でも、SRFの主要な性能制約要因と考えられている。

高純度ニオブの必要性は後年になるまではっきりと認識されなかったが、1970年代にドイツのジーメンス社が低純度の微粒子ニオブから出発し、これを1400℃で熱処理することで現在に通用する水準の表面磁場性能を得た。これは、熱処理の結晶粒塊を巨大化し、粒塊境界で性能劣化をもたらす水素の吸着を軽減できたためである。

欧州、米州、アジアで積まれた経験から、現在では、スタンフォードでかつて使われたのと同じ程度のゆるやかな純度仕様のインゴットから切り出されたニオブ材を使ってSRF技術は展開できる見通しがついてきた。最適化、合理化することで、表面に吸着された水素を除去低減することは可能で、高性能な空洞を安価に製作することが可能と考えられる。その結果、ILCのSRF空洞で製作・運転コストを数十パーセント削減することも不可能ではないだろう。

すなわち、SRF開発の仕事は、大回りして最初の出発点に戻ったと言ってよい。スタンフォードで最初にSRFに取り組んだ研究者は、すばらしい仕事をした。彼らは、当時わかっていたことに基づいて、優れた選択を行った。だが今、私たちには過去半世紀の蓄積がある。このR&Dの歴史全体を再評価するべきときが来たのだ。それなくして加速器の将来、そして物理の将来を公平に評価することはできない。

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■特集記事

わからなかったことがわかった時 ~ 小林誠先生インタビュー ~

(Understanding something new — interview with Makoto Kobayashi)

今回のインタビューは、日本の一般向け広報誌『ILC通信』11月号に掲載された記事に基づいたものです。

10月7日のノーベル物理学賞受賞から一か月。ようやく周囲が落ち着きつつある小林誠高エネルギー加速器研究機構(KEK)名誉教授に、将来の加速器科学についてお話を伺いました。


KEKB展示ホールで取材を受ける小林誠氏
(クレジット:小林敦子)

― まずは、ノーベル物理学賞受賞おめでとうございます。一か月たって今のお気持ちは?

「今ですか?まだ、なんだか信じられないといいますか、なんでこんなことやっているのか、こんなことやっていていいのかな、という感じですね。(笑)」

― ノーベル賞の発表に先立ち、欧州合同原子核研究機構(CERN)の大型ハドロンコライダー(LHC)が稼働しました。今は停止中ですが、小林先生がLHC実験に期待することは?

「当然ヒッグスというのは最初の課題でしょうけれど、一番期待しているのは、いわゆる標準模型の先にあるものの何らかのエビデンス(兆候)をみつけるかどうか、ということですね。たとえば超対称性理論のエビデンスとなる超対称性粒子のシグナルのようなものが見つかることが一番面白いわけで、その辺りに一番注目しています。」

― LHC実験に関わる理論も考えていらっしゃるのですか?

「(LHC実験がカバーできるエネルギー領域で)何が起こるか(という理論的な可能性)はもう、ある意味調べつくされているんです。ただ、LHCでエビデンスがみつかれば、一番わからなかったこと、例えば、超対称性粒子の質量のスケールなどが一番重要な状況としてでてくるのでしょう。そういうのが出てくれば、たとえば、それがB中間子のCPの問題と影響するのかとか、そういう話がまたそこから始まるわけです。」 

― ILCに何を期待しますか?

「もちろん、ILCは高エネルギー研究者の夢ですから、それは大いに期待しているところです。でも、それには(LHC実験から)新しい理論の質量のスケールとかがわかって、そのうえで、というシナリオになるのではないでしょうか。」

― 現在日本では、産業界や政界など、研究者コミュニティを超えたILC実現に向けた動きが活発になってきています。その動きについてどのように感じていらっしゃいますか?

「実現するためには色々なサポートが必要ですから、そのような動きが出ていることは非常にうれしいことです。反対に、そういうものを全部結集してやらないとできないほど大変な仕事ということでもあります。だから、どうやってそういう大変な仕事を実現に持っていくのか、その戦略がもう少し必要、という気もしています。」

― 小林先生、益川先生、南部先生のノーベル賞受賞で、日本の物理の世界がどう変わると思われますか?また、どう変わってほしいとお思いですか?

「物理なり、自然科学基礎科学に関心を持ってくれる人が増えれば、それは嬉しいことだと思います。」

― どんなきっかけで科学に興味を持たれたのでしょう?

「もともとの基本的なことに興味があったのですが、高校の時にいくつか物理関係の本を読んだことが、ひとつのきっかけになったと思います。もうひとつには、私は名古屋で育ったんですけれど、素粒子研究については名古屋大学の坂田研究室は一般にも知られていたわけで、そういう話もなんとなく耳にして興味を持ったのだと思います。素粒子物理が身近、というほどではなかったとは思いますが、そういうインプットがどこかであったんではないでしょうかね。」

― 研究者の醍醐味とは?

「わからなかったことがぱっとわかった時ですね。大小にかかわらず。わからなかったことがわかった時というのがやっぱり醍醐味だと思います。」

― 高エネルギー物理を学ぶ学生が減っています。科学への興味が減退している、というよりは、科学や研究を職業として選択する人が減っている傾向にあることが原因だと思われるのですが、どうしたらその傾向に歯止めを利かせることができるとお考えですか?

「(今の科学は)最先端を進んでいますから、研究のレベルに行くためには、中学・高校で、数学にしろ物理にしろ、とにかくクリアしていかなければならないわけですね。その途中で息切れしているという気がしています。学んでいく途中のステップでいかに興味をつないでいくか、そのへんがもう少し必要かな、と。その意味で(他で報道されているように)教科書がつまらないと言っているわけで、もう少し読み物として興味を持てるようなものがあったっていいのかなと思いますね。」

‐ありがとうございました。

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■ディレクターズ・コーナー

技術設計フェーズ目標設定の歩み

(Progress on our Technical Design Phase goals)


Marc Ross氏

今号のディレクターズ・コーナーは、国際共同設計チーム(GDE)のプロジェクト・マネージャーMarc Ross氏の執筆である。

先週、数百人の研究者やエンジニアが、シカゴ市にあるイリノイ大学の新しいフォーラム・イベント・センターで開催されたLCWS08とILC08に参加した。一年に一度、GDEは全関係者を招いた総会を主催し、作業進捗、計画立案、その他一般的な状況報告を行うが、2008年のそれはILC08であった。前回会合は、DESYで2007年6月に開催されたLCWS07である。11月の会場は寒気のせまるシカゴ中心部だったが、会議は友好的で陽気な雰囲気の中、LCWS07と同様の成功をおさめた。

会議はまず、GDEの技術設計フェーズ(TDP)での主要目標を思い出すことから始まった。それは、1)国際的なILC研究者グループの拡大(特に共同活動を発展させることを通じて)を続ける、2)ILC計画承認のために必要な技術情報を得る、3)世界規模でR&Dプログラムをコーディネートする、の三つである。二つの事例を引いて、今回の会議での進捗の様子をお伝えすることにしたい。

左:9セル超伝導高周波空洞の加速勾配歩留まり。成績良好な一社製作の空洞についてのデータを示す。赤線は歩留まり50%のライン。11台の空洞のうちの55%が、ILC RDRの35MV/mの加速勾配を上回り、22%で低い加速勾配で制限される欠陥があった。本文にあるように、GDEでは、製造サイクル初期に20MV/m以下の性能の空洞を特定するなどの品質管理を行い、その矯正を全面的な表面処理や縦置き測定前に適用することを構想中である。
右:9セルSCRF空洞の加速勾配歩留まり。2008年に試験された全空洞についてのデータを示す。19台の空洞のうち30%がILC RDR の35MV/mの加速勾配を上回った。(図提供:Hasan Padamsee氏、Rongli Geng氏、Detlef Reschke氏)。

超伝導RF空洞加速勾配

私たちにとって一番重要、かつ周囲の耳目を集める研究は、9セル超伝導空洞の加速勾配性能の向上と、性能歩留まりの改善である。90%の歩留まりで35MV/mを実現する、というTDPでの究極目標にむけた新データがILC08で公表された。2010年終わりまでのTDP1での私たちの目標は、50%の性能歩留まりだが、上の図は、2008年にJ-LabとDESYで行われた縦置きクライオスタット9セル空洞試験からの合同データでの性能歩留まりを示したものだ。私たちと仕事をしているメーカーのうちの一社からの空洞の半分以上が、加速勾配35MV/m以上を記録していることがわかる。下の図は、3社19台の全空洞での性能歩留まりを示す。TDP1でのチャレンジの一つは、メーカー間の差異を理解し、これを解決し、性能を向上し、統計数を増やしていくところにある。これらのデータは、10月にインドのデリーで開催されたTESLA技術共同研究グループ(TTC)会議で最初に示されたものだが、TTCから受けた技術提言の成功を反映していると言うことができる。

この解析は、世界三地域のうち欧州と米州からのデータだけを使って行われたが、90%の性能歩留まりという目標に近付く鍵となる診断装置の開発は、アジアで展開している。このツールは、空洞内面の品質検査のための顕微鏡であり、その詳細な結果がILC08で発表された。その有効性は明らかで、特に20MV/mより下の勾配でクエンチ制限のある空洞の不具合箇所の同定能力は絶大である。これまでこの検査システムで20台以上の空洞の内表面が調べられているが、このサンプルでのクエンチ発生個所と検査システムのマッピング結果は極めてよく照合している。このシステムによって、おそらく表面処理や縦置き測定前に、低加速勾配での不具合のありそうな空洞をあらかじめ取り分けることも可能ではないか、と期待される。こうした新しい品質管理方式については、2009年に実証を試みていきた。この重要なR&Dにおいて三領域の活動が相互補完的にはたらき、また統計サンプル数が少ないとはいえTDP1の目標に一歩近づくことができ、大変に喜んでいる。


XFEL技術共同研究- Lars Hagge氏 とThomas Hott氏(DESY)

欧州XFELプロジェクトとの共同研究グループ-一般施設

基準設計報告書(RDR)でコストを左右する大きな要素は、主線形加速器と一般施設の二つである。両者は、併せると、RDRでの算定コストの79%を占めている。幸いにして、ILC的な技術をベースにしたDESYでの加速器運転、また欧州XFEL(X線自由電子レーザー)計画が進展中であり、私たちはそれらに参加することで実地体験を得ることができる。ことに、現在進行中のXFEL計画は、その加速器完成がちょうどTDPの完成時期にあたっている点で理想的と言える。先週の会議では、Vic Kuchler氏(Fermilab)、John Osborne氏(CERN)、榎本收志(KEK)がリーダーをつとめる、ILC一般施設とサイト(CFS)ワーキンググループが、XFEL CFSの技術調整チームと行う会合にむけた最終調整を行い、設計詳細や、近未来のXFEL計画作業の展望について議論することになった。DESYでの会合は来週行われ、2009年も引き続き直接会合を行い、ILC-欧州XFEL間の結びつきを強めていきたいと考えている。これは、私たちの設計を深化すると同時に、多忙な欧州XFELのエンジニアや指導者のお手伝いにもなる一機会である。欧州XFELプロジェクト技術部長のReinhard Brinkmann氏(DESY)は、二つのプロジェクトチーム間でのこういった相互関係に非常に積極的である。ILC-欧州XFELの関係強化が進み、2012年のTDP完了時には実計画(欧州XFEL)の体験に根ざしたILC計画提案書提出が可能になるはず、との期待を強めている次第である。

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ディレクターズ・コーナー・バックナンバー

■カレンダー
今後の会議、ミーティング、ワークショップ

2nd Annual Workshop of the Helmholtz Alliance 'Physics at the Terascale'
RWTH Aachen, Germany
26-28 November 2008

8th SiLC Meeting
IFCA, Santander, Spain
17-19 December 2008


Upcoming school

The US Particle Accelerator School
Nashville, Tennessee, USA
12-23 January 2009


GDE Meetings calendar

View complete ILC calendar


■ニュース記事より

From Irish Times
25 November 2008
原子のなかの秘密を探る研究者
・・・これら[LHC]の実験結果は、原子の構造だけでなく宇宙の構造についても教えてくれるだろう。
[英文記事]

From PhysOrg
24 November 2008
ガン治療装置の改良で特許を受ける物理学者
高速繰り返しによって、円形加速器の一周ごとに陽子ビームの入射、取りだしが可能となっている。その結果、以前の複数回のビーム周回が必要な加速器と違い、高度なフィードバックシステムによってビームを制御する必要がなくなった。
[英文記事]

From AFP
20 November 2008
e=mc2:103年後にアインシュタインの正しさを証明
・・・1世紀以上かかったが、フランス、ドイツ、ハンガリーの物理学者による英雄的な計算の努力のおかげで、アインシュタインの有名な公式e=mc2はやっと裏付けられた。(…)これは奇妙なことに、グルーオンの質量はゼロで、クオークの質量は5%に過ぎない。それなら行方不明の95%はどこにいってしまったのか?
[英文記事]

From Symmetry Magazine
November 2008
暗黒宇宙議論
ダークマターとダークエネルギーの存在を最初に証明するのは誰か?素粒子物理学者と宇宙物理学者の直接対決。
[英文記事]

From Symmetry Magazine
November 2008
ラップ物理学
研究者が自分たちの研究についてアウトリーチ・ウェブ・サイト向けのブログや技術記事で書く作業は、研究のためのソフトウェアを書いたりする作業と同等に評価されるべきである。
[英文記事]

■アナウンス

◇今週号は前倒しに発行しました
今週木曜は、米国が感謝祭の祝日のため、ILC NewsLineの発行を早めました。来週からは通常通りです。

◇symmetryの挑戦:symmetry誌からナプキンの物理
バーでアイディアが浮かんだ時、(手持ちの紙がなくてナプキン)に走り書きする、というのを聞いたことがあるだろう。どういう仕事をしているのか、バーで質問された、という話もよく聞く。ホワイトボードや黒板がないとき、ナプキンを代りに使うことになる。そこで質問です。:あなたの物理の研究テーマをナプキンそのもの、またはその写真かスキャンを使って60秒以内で説明してください。説明は、60秒の音声またはビデオ・ファイル、もしくは最大200語までの文章でお願いします。応募はsymmetryに電子メールか、スタンフォード線形加速器センター、広報室のDavid Harris氏(MS 58, 2575 Sand Hill Road, Menlo Park, CA 94025)宛てに郵送ください。
symmetryは最も素晴らしい作品を送ってくださった方に賞品を送り、誌面で紹介したいと思います。

◇arXiv preprints
0811.2136
Flavour Changing at Colliders in the Effective Theory Approach

0811.2020
Simulation Study of the Beam Calorimeter in the GLD Configuration for the Next Generation Linear Collider

◇EUROTeV Report
2008-063
Results of the EUROTeV Post Collision Line Design (PCDL )Task


■今週のイメージ
これは何でしょう?ソーダ水・・・
(What is it? Sparkling water...)


今回の問題は難し過ぎましたか。「これは何でしょう?」の正解者はありませんでした。では、アルゴンヌで空洞の高圧水洗浄を試験している間の変な影響に注目したチームの説明を見てみましょう。「一般に二つの絶縁材をこすり合わせると、片方の材料からもう片方の材料に表面電荷(電子)が移動することで、静電気が発生します。アルゴンヌ国立研究所の高圧水洗浄の試験では、超高純度水(非イオン化されしたがって非導電性になっている)がプラスチック(レキサン)製の空洞模型の表面に当たり擦れることで、プラスティックと水が強く帯電します。水はイオン化し、プラスチックからはコロナ放電が発生します。写真に見えるのは、高圧(1250psi)でプラスティックにぶつかる水とプラスティックの間で起きている放電からの光です。放電を続けるとオゾンが発生し、クリーンルームはそのにおいが立ち込めてきます」FermilabのLuciano Elementi氏ほか、より。ILC関連の変わった写真をお持ちの方は、communicators@linearcollider.orgまで、写真と説明をお寄せください!