大型加速器分野で中国の躍進はあるか

ILC(International Linear Collider)のスペックと意義を復習すると以下のようになる。おおまかには全長約30キロの線形加速器でCERNの世界最大の円形加速器(LHC)のアップグレードの先にあるエネルギー加速器。日本は誘致に名乗りを上げ北上山地に50kmまでのトンネルが建設可能であることから岩手県が積極的に誘致活動を行っている。

 

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Photo: MathWorks

 

ILCで狙うもの

基本的には高エネルギーで電子と陽電子の衝突実験を行う計画である。LHCの成果を受けて質量の起源とされるヒッグス粒子の性質の詳細な解明や、標準理論を超える新たな粒子の発見を試みる。すでにLHCの華々しい成果を振り返れば衝突実験では高エネルギー限界を越えたときに新粒子が発見されたり、それらを含む新理論につながることは想像に難くない。

ILCの建設と稼動によって、素粒子物理学が新たな段階に進展し、宇宙創成の謎の解明につながることの期待は大きい。研究の趣旨は壮大でLHCの延長であっても宇宙と物質の起源という人類が共有する課題の解決につながる成果が得られることに対しての反論は少ないだろう。

またILCの設置によりこれまで「加速器の真空地帯」ともいわれた、東北地方に研究者3,000人とその家族、関連企業の職員など1万5千人が居住する科学技術拠点が形成されることで、岩手県のみならず東北地方への経済効果が想定されることも間違いないであろう。高度成長期にあったなら前途洋々たる事業への投資で反対もなかったに違いない。(実際、バブル期に計画倒れとなったSSCの超伝導マグネットは日本の技術力と資金が投入されるはずであった。)日本にILCを建設することへの疑念は経済的、社会的側面、すなわち財源の確保と経済効果に関する現実的なものである。

 

学術会議の提言

一方で、日本学術会議の提言は「LHCとの関係も含め、ILC計画に必要な巨額な投資に見合う、より明確で説得力のある説明がなされること」が望まれる、とした上で、「本格実施を現時点において認めることは時期尚早」であり、「ILC計画の実施の可否判断に向けた諸課題の検討を行うために必要な調査等の経費を政府においても措置し、2、3年をかけて、当該分野以外の有識者及び政府関係機関を含めて集中的な調査・検討を進めること」とされた。世界最先端の加速器建設計画への提言としたならなんとも歯切れの悪い表現である。

 

文科省は学術会議の提言を受けて2014年5月に省内のタスクフォースの下に、国際リニアコライダーに関する有識者会議を設置し、ILCに関する諸課題の検討を行うことを決定した。その第1回有識者会議において、2つの作業部会(素粒子原子核物理作業部会、技術設計報告書(TDR)検証作業部会)の設置を決定、巨額の投資に見合う科学的な意義に関する検討、及び、TDRについてのコスト面や技術面の課題等の検討を実施した。

2015年3月までに8回の素粒子原子核物理作業部会、6回の技術設計報告書検証作業部会にを開催し作業部会としての報告を取りまとめたほか、2014年度の委託調査事業として、「国際リニアコライダー計画(ILC)に関する技術的・経済的波及効果及び世界各国における素粒子・原子核物理学分野における技術面を含む研究動向に関する調査分析」が実施された。

 

学術会議の提言要求については2015年4月開催の第3回有識者会議で、作業部会から報告が行われ、ILC計画に関する技術的・経済的波及効果等に関する委託調査事業の結果について報告された。簡単にいえば科学的根拠と技術的可能性及び経済効果については、間違いなく一歩進んだといえる。一般的には調査費は建設を前提としているから、いかにも提言であげられた課題をクリアすれば建設がスタートしそうなものだが文科省は慎重な構えをみせている。

 

財源がないという現実

我が国の抱える債務は数字的には「国家破綻」と呼ぶべき状況にあって、ILC計画は国家財政をさらなる危機に追い込むことになるかもしれない。3,000億円のオリンピック国立競技場ですら建設計画が白紙にもどったことからも財源の乏しさは明らかだが、ILCの建設には1兆円以上の財源が必要となる。たとえ(科学技術上での)価値は揺るぎのないものであっても、国家財政を危うくするとしたら、このまま突っ走るにはあまりにリスクが大きいといえるだろう。

学術会議の提言は①予算化に際して生じる科学的説明責任、②予算にみあう経済効果のふたつ。しかし「現時点において認めることは時期尚早」とは「現時点では不可」という判断なのだ。「調査費がつけば実行が約束された」すなわち「検討を進めれば認められる」と考えることこそ「時期尚早」と考えるべきではないだろうか。もちろんNOを突きつけられたからといって諦める必要はない。もし具体的な問題がはっきりしているのなら、弱点を補強して説得力を増すことで次につなげるというのが普通である。

LHCはアップグレードで13TeVまで円形加速器による陽子衝突実験の最大エネルギーが増大した。しかしさらにヒッグス粒子を効率よく生成するために、また新しい粒子発見の可能性を探るために、これを大幅に越えたエネルギーまで電子を加速するには、「円形加速器だとエネルギー損失が大きいこと、粒子を曲げる際にビームの質が悪くなることなどから、次の加速器は線形加速器でなければならない」、というのが国際コミュニテイの共通した理解であった。そのためには超伝導加速空洞が有効で、この分野の高い技術力を有する我が国がそのために白羽の矢がたったということは不思議ではない。

 

学術会議の提言の真意

しかし学術会議の提言にあった「技術的検討」が不足、総合的にみて「時期尚早」という提言は超伝導加速空洞技術が完成されたとはいえず、要となる加速空洞の技術的問題が解決されるまでを「時期尚早」としたととれる。実際、LHCでも超伝導加速空洞が使われているし、KEKではこれを用いたERLなど先進的光源においても実績をあげつつある。しかし高温超伝導材料マグネットや冷凍機の改良を含む次世代超伝導空洞の研究開発は未解決の要素も多く、「現時点で時期尚早」という表現は適切なのかもしれない。

本当にポストLHCは線形加速器でなくてはならないのだろうか。中国の加速器研究の中心はIHEP(Insitute of High Energy Physics)、中国科学院高能物理研究所である。北京とはいっても中心から離れた場所にあるこの研究所は、日本で言えば高エネルギー加速器研究機構(KEK)のような位置付けで、科学院直轄(注1)で大型加速器実験の中心である。

(注1)科学院直轄の研究所は北京のほか地方都市に点在するが、北京の科学院は国の予算に太いパイプを持ち、優秀な研究者をリクルートした一般の大学、研究所と一線を画すエリート集団である。

 

ビームを曲げることでビームの品質が低下する。それを改善するために偏向電磁石を複数に分けて、それぞれの磁場を弱くする(曲率を大きくする)技術が注目を浴びている。MBA(Multi Bend Achromat)と呼ばれるこの手法は当然周長が拡大する。つまり円形加速器でも周長を増やして線形加速器に近ずけることによって、ビームの品質を落とさずにすむ。(簡単にいうと屈折率の大きいレンズほど収差補正が必要になるのと同じである。)

このため中国科学院は円形加速器でも周長を大きくすれば線形加速器に遜色がないものができると考えた。中国科学院の王教授によれば、超巨大円形加速器CEPCでLHCのエネルギー限界を大幅に越えた加速器が可能になるという。25TeV(注2)では1周約50km、45TeVでは70kmの衝突リングをつくるCEPC計画の建設費は35億ドル(4,340億円)となる。

(注2)LHCのアップグレードでは13TeVまでの陽子衝突実験が可能となった。

 

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Photo: Nature

 

中国のCEPC計画はダークホースか

ILCの建設費は試算では1兆912億円で、CEPCの倍以上だが建設費実費はさらに高騰するため、ほぼ3倍となる。こうなると線形加速器だけしか選択肢にないのか、円形加速器でも周長が大きければ可能なのではないか、という問題に答える必要がある。

「要技術検討」とした学術会議の提案の真意はまさにこの問題に結論を出すには時期尚早という意味ではないだろうか。すなわち加速器コミュニテイの間で他に選択肢がない、ところまで議論し尽くされていないと読まれたのである。

 

中国という国は「万里の長城」のように壮大な計画を、進めていく器量を持っているが、CEPCでは地下7mのトンネルに陽子加速器を建設する構想もある。

 

CEPCの建設計画は次のようなものである。

 2015-2020 CEPC設計、研究開発

 2021-2027   建設

 2027-2030 CEPC運転

 2015-2030 SppC(第II期)設計

 2030-2040 SppC建設

 2040-2050 SppC運転

 

35年計画でひとつの装置をつくる。このような長期にわたる計画の実行は役人の任期が数年の日本では考えられない壮大さだが、加速器科学が曲がり角に来たといわれる現在、グランドデザインをじっくり考えなくてはいけないだろう。加速器建設が科学的なインパクトよりも経済性に左右されることになるかもしれない。財源に乏しい日本の素粒子科学は(皮肉にも)戦前から同じ問題に直面し、お金のかからない素粒子理論を先導し世界をリードすることになった。これから実験がどのような方向に向かうべきか、立ち止まってじっくり考えてみる必要がありそうだ。

ILCの次にふたたび円形加速器に戻るようであれば、ILCで何をどこまで狙うのかとタイミングを逸しないことが重要になる。早すぎれば既存技術の延長となり経済性も悪くなるだろうし、遅すぎれば完成時には中国の超大型円形加速器にとって代わられる恐れが十分ある。1兆円超の税金を使っての事業の加速器としてのライフはCEPCがスタートした今年、時を刻み始めた。皮肉なことに中国経済にも2015年陰りが見え出したが、中国の強みはアップダウンがあっても長期計画を進めていく粘り強さである。

 

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Image: Nature

 

補足:中国の大型放射光

中国は現在、上海のSSRF(3.5GeV)の拡張に最も力をいれているが全体の2/3が埋まるPhase IIの予算化が終わり、いよいよ今後10年は北京の2.5GeV蓄積リングの更新となるBAPS建設に向けて動き出した。BAPSは5-6GeV(おそらく6GeV(注3))で周長1,000mとESRF、APS、Spring-8に代表される初期の高エネルギー型第三世代マシンとなる。

(注3)2014年の加速器国際会議で報告されたBAPSは5GeVリングであった。その後5.5GeVで検討されることとなり、加速器は6GeVまでのスペックとなった。そうなると世界で4番目の6GeVクラスの第三世代光源となり、世界の先端に躍り出ることが可能になるからだ。

SSRFが一区切り、次の10年がBAPSとなれば残る施設はNSRL(HLS)である。実際10年後にはNSRLでも、新しい計画がスタートする。アップグレードを終えたばかりのVUV光源HLS(800MeV)の後継機HALSである。こちらはX線高輝度リングとなる。2015-2025年がBAPS、2025年以降がHALSとすいう「時間差」をつけてひとつづつ建設していく手法は3GeVリングの建設が決まらず混迷を続ける日本も見習うべきではないだろうか。30-40年のライフを考慮すると「時間差」建設が意味を持ってくるからだ。新幹線や高層アパートのように一気に建設を推し進めない科学院は賢い。

 

足元を10年から20年をみすえた放射光計画が日本でも必要ではないだろうか。

 

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