名古屋大学 宇宙地球環境研究所
宇宙線研究部(CR 研究室)

LHCf/RHICf 実験

主な担当教員・研究員

教授 伊藤いとう 好孝よしたか
助教 毛受めんじょう 弘彰ひろあき

LHCf実験・RHICf実験

RHIC と LHC による 1014 eV から 1017 eV 領域での宇宙線シャワーモデルの検証

LHCf 実験は、2009 年から運転を開始した陽子衝突型加速器 LHC の陽子衝突点(IP)の 0 度方向に小型カロリメーターを設置し、超前方へのガンマ線、中性子を測定する実験です。日本、イタリアを中心とする 6 カ国、30 人あまりの国際共同実験で、名古屋大学がグループ全体を主導して実施しています。

LHC加速器とCERN
ヨーロッパ原子核研究機構(CERN)とLHC加速器(大きな円)

LHCf 実験公式ホームページへ

実験の目的

高エネルギー宇宙線である陽子が大気に突入すると、窒素や酸素原子核と衝突してたくさんの粒子を発生させるカスケードシャワー(空気シャワー)を起こします。高エネルギー宇宙線の観測は、この空気シャワー中の粒子を観測しています。

空気シャワー粒子は、陽子の進行方向(超前方)に放出された粒子からの寄与が大部分です。通常の高エネルギーコライダー実験では測定が行われない領域です。しかしながら宇宙線観測にはまさにこの領域での陽子反応の知識が問題となってきます。

LHC での 7 TeV + 7 TeV の陽子陽子衝突は、1017 eV の宇宙線の反応に相当します。これまでこのような超高エネルギー反応の実験データは存在せず、最高エネルギー宇宙線の問題や一次宇宙線組成の問題において、解釈の不定性となってきました。それをLHCで実測し、宇宙線物理学の大問題に決着をつけようというのが LHCf 実験の目的です。

実験の概要

陽子・陽子衝突の概念図LHCf実験では、アトラス検出器のあるビーム衝突点 IP1 から 140 m 離れた地点で、2 本の陽子ビームパイプの隙間に 2 cm 角から 4 cm 角の小型のシャワーカロリメーターを設置します。この場所では、陽子陽子衝突から 0 度方向に放出された中性粒子を捕らえることができます。0 度方向への粒子放出は莫大であるため、LHC のビーム強度を落として実験を行います。

Geant4 による LHCf 検出器のシミュレーション

実験の歴史

LHCf 実験は、LHC 加速器が運転を開始した 2009 年末に最初のデータ取得に成功し、2016 年までに様々な衝突条件のデータを取得しました。解析結果も順次公開しており、宇宙線と地球大気衝突の理解にむけたさらなる研究をすすめています。

2009 年 11〜12月   LHC 最初の陽子陽子衝突で重心系 900 GeV 衝突データの取得に成功
2010 年 3〜7月   重心系 900 GeV、7 TeV 陽子陽子衝突データの取得に成功
2013 年 1〜2月   重心系 5 TeV の陽子鉛衝突データと 2.76 TeV の陽子陽子衝突データの取得に成功
2015 年 6月   重心系 13 TeV 陽子陽子衝突データの取得に成功
2016 年 11月   重心系 5 TeV と 8 TeV の陽子鉛衝突データの取得に成功

今後の計画

LHCf グループでは現在 2016 年までに取得したデータの解析をすすめています。すでに数件の論文を発表し、宇宙線空気シャワーシミュレーションに用いられている反応モデルに強い制限を与えています。

特に今は世界最高エネルギーの 13 TeV データの解析に注力しています。また、衝突データを共有する ATLAS 実験との共同解析も進め、新たな視点で粒子生成の理解に迫ろうとしています。

過去のデータとあわせた衝突エネルギー依存性の研究もすすめます。これによって LHC を超えるエネルギーの宇宙線現象の理解を深めます。また、米国 RHIC 加速器での低エネルギーからのデータの取得や、LHC 加速器における軽原子核(酸素)衝突などの将来計画も検討しています。

RHIC における重心系 510 GeV 陽子陽子衝突実験(RHICf)が承認されており、2017 年 6 月のデータ取得に向けた準備が進んでいます。LHC で利用した検出器を米国に輸送して実験を実施します。