物理学科／物理学及応用物理学専攻
寄田 浩平准教授
Yorita Kohei
| 略歴 | 2005年早稲田大学大学院理工学研究科博士課程修了、博士（理学）。2003年5月-2004年12月米国フェルミ国立加速研究所客員研究員、2005年4月-2008年9月米国シカゴ大学Fermi Fellow, Research Associateを経て2008年10月から現職。 |
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| 主な担当科目 | 放射線計測学A・B／素粒子実験演習C・D／放射線情報処理特論 |
ATLAS実験は世界38カ国174大学・研究機関が参加する国際共同研究で、今回プレスリリースされた「新粒子」すなわち現在の素粒子物理学において最もホットな話題と言える「ヒッグス粒子」や、さらなる新しい素粒子・事象の観測を目的としています。このATLAS実験グループの一員として、トリガーシステムの構築から物理解析、さらには次世代検出器の開発にも精力的に取り組んでいるのが、物理学科の寄田浩平准教授です。
数十年に一度のビッグチャンス
ATLAS実験において物理結果を得るためには、大きく分けて3つの研究段階があります。
1つ目は、限りなく光速近くまで加速され高エネルギーを持つ陽子同士を衝突させた際に発生する事象を、詳細に観測するための検出器自体の設計製造です。これは14年超の歳月をかけLHC加速器と共に2008年9月に完成しました。…(1)
2つ目は、陽子・陽子衝突のどのような条件範囲でデータを取得するかを決めるトリガーシステム（電子回路とコンピュータを統合したもの）の構築です。ATLASでの陽子群（バンチ）衝突は1秒間に約4千万回起こりますが、このうち約100回分しか解析のためのデータとして残すことができません。ですから、いかに高速かつ効率良く取得するべき信号データを保存するか、が重要になります。…(2)
図1(a) ATLAS検出器全体模式図。緑の矢印部にいる人と比較して大きさが分かる。ビームラインから一番近いところに、陽子が衝突した際に生成される様々な粒子の飛跡を観測する「内部飛跡検出器」、その外側に粒子のエネルギーを観測する「カロリメーター」、一番外側にミュー粒子の飛跡を捉える「ミューオン測定器」という配置（写真提供：CERNアトラス実験グループ）
3つ目は取得したデータの物理解析です。…(3)
検出器の安定性の確認なども重要ですが、現在LHC加速器とATLAS検出器は非常に順調に動いていますので、主な仕事は(2)と(3)になります。2種の仕事を並行して行っていることが我々の研究におけるひとつの特徴と言えます。物理解析の結果をフィードバックしながらトリガーシステムを再構築することでより実効的なシステムを組むことができます。
図1(b) LHC加速器鳥瞰図。地下100mに作られた円周27kmのLHCリング内にATLAS、CMS検出器が設置されている
それぞれの測定結果と分析から、衝突により生成された粒子が何であったかを同定するのですが、この中で今最も発見を期待されている粒子が「ヒッグス粒子」です。現代もっとも信頼性の高いとされる素粒子物理学の描像では、ヒッグス場というものが真空中を満たしており、万物の構成要素であると言われている電子やクォーク等の素粒子はヒッグス場と結合することで質量を得る、と理解されています。ATLAS実験では高エネルギーの陽子が衝突することを利用して、安定したヒッグス場からヒッグス粒子をはじき出そうというわけです。はじき出されたヒッグス粒子は不安定で、すぐにW、Z、γなどのボソンやクォーク、タウ粒子などのフェルミオンに姿を変え（＝崩壊）、さらにクォークやグルーオンなどのカラーをもつ粒子はすぐに中性子や陽子などのハドロンに崩壊していきます（ハドロン化）。飛跡検出は、この崩壊の過程を含めて生成された粒子群が飛び散る様子を捉え、カロリメーターは粒子のエネルギーを測定します。
図2 ATLAS実験で得られる飛跡検出データ。円の中央から周囲に向かって弧を描きながら走る幾筋もの線が陽子衝突で生成された様々な粒子の飛跡（写真提供：CERNアトラス実験グループ）
粒子群の飛跡を逆にたどり、組み合わせることで「ヒッグス粒子があったに違いない」という統計的結論を出します。ただし、ヒッグス粒子が「存在する」もしくは「存在しない」という結論は遅くとも今年の終わりごろに報告できる予定ですが、その粒子が理論的に予測通りのものなのか否かの判断には、さらなる検証が必要になります。そのためには加速器の性能を上げ、単位時間あたりに取得できるデータ量を増やすことが重要なのですが、それに伴って効率のよいトリガーを行うことが非常に困難になります。我々早稲田グループはこれを解決するための新しいトリガーシステムを2014年導入に向けて設計中です。日本から参加している16機関の中では我々だけが担っている仕事で、米国シカゴ大学・伊国ピサ大学との共同研究です。従来のトリガーシステムの延長では10～20年かかるような検証を、3～４年で終えられる可能性のある非常に期待されているシステム構築です。
図3 寄田先生の研究室におかれている時計。国際共同研究を進める研究室ならではの風景。グループ内のミーティングは時差の関係で日本時間の真夜中から早朝に行われることが多い
物理オタクのサッカー少年
物理学の道に進んだきっかけはアインシュタインの相対性理論で、中学生の頃から完全に「物理オタク」でした。私たちの生活において「時間」は普遍的に感じますが、特殊相対性理論で「光速度の不変性」を定義したとたんにそれが普遍ではなくなる、という概念がとても鮮烈でした。物理学はものの見方を非常に良く教えてくれる、そして良い意味で常識を覆してくれるものだと思い、生涯をかけてやっていくならこの道がいいな、と思ったんです。とはいえ、物理以外の勉強は全く好きではなかったので、中学入学から高校卒業まで、サッカー漬けの毎日でしたね。練習後は毎回近所の本屋さんに行って物理の本を立ち読み（物理の本は中高生にとっては高価だったので）。少しずつ読み進めていくうちに、物理の棚にあった本はほとんど制覇してしまいました。
海外で研究する機会があるという理由で選んだ研究室で、LHCの1世代前の世界最高エネルギーの加速器実験である米国Tevatronプロジェクトに修士課程から本格的に参加し、トップクォークの質量測定で博士号を取得しました。余談ですが、大学1年生の時に単独で1か月ほど渡米し、ハーバード大学とMITで勝手に授業を受け、いつかは世界的に活躍できる物理屋になりたいと強く思いました。その8年後、ハーバード大学から正式に「君の博士論文の研究結果を報告するセミナーを行いたいのでぜひ来てくれ」と依頼があり、ボストンの空港からタクシーでハーバードに向かう最中、8年前の記憶がよみがえり、非常に感慨深い思いになったことは印象的な出来事でした。博士号取得後、ハーバード大学を含めいくつかの大学・研究所からジョブオファーをいただいたのですが、ATLAS実験での新規トリガーシステムの開発を主導して行っていたシカゴ大学に行くことを決意し、LHCに関わる仕事を開始しました。LHCにおいても研究者としても新参者である「早稲田大学の寄田」がある意味で独自性をもって、自らの意見を主張しながら巨大実験に参画できているのは、この頃共に研究していた多数の仲間がいることも大きいと感じています。
図4 学部4年生（1999年）のときに、米国フェルミ国立加速器研究所でCDF検出器を組み立てた時の写真。左はフェルミ研究所のエンジニアのJames
国際協力でありながら国際競争
通常、博士課程の学生であればCERN現地に長期滞在することができます。滞在・実験に係る経費は各研究室で用意する必要がありますが、現場での実践経験は何にも代えがたいものです。どのような研究を進めたいかという主張や段取りについては私が特攻隊長を務めますが、そのあとは学生自らの実力で勝負して欲しいと考えています。日本の学生は研究レベルでは議論ができる実力を持っているにも関わらず、主張が弱く議論に参加できないことがあります。英会話のみならず主張するということも慣れでしか克服できませんから、1週間に1回会合で必ず発表する、分からないことがあったら研究者のオフィスを訪問して尋ねる、などできることから動くしかありません。そういった努力をすれば英語が苦手な学生も1年程すれば、欧米の学生・研究者とも堂々と渡り合えるようになります。
ATLAS実験は約40カ国による国際協力実験でありながら国際競争の場でもあります。ミーティング中は国や参画大学・機関が入り乱れた喧々諤々のケンカばかりですし、さらにその主張は実質的な実行力を伴わなければ相手にされません。このためにも学生には検出器・トリガー・物理解析のいずれかひとつに特化することなく理解した上で、より広く柔軟性をもって提案していける人材になってもらいたいと考えています。
素粒子物理学と宇宙物理学の垣根をこえて
ヒッグス粒子については、本質的な裏付けまで含めてあと数年である程度の決着がつく可能性が高いと考えています。
その後の高エネルギー素粒子物理学のトレンドのひとつとして、ヒッグス機構のより深い検証も含めた標準理論全体の整合性や実験結果との小さなずれを検証するために建設計画が進んでいる国際線形衝突実験（ILC）があります。日本国内での建設が議論されている意味でも大きな期待がもてる研究です。一方、私個人的な興味・夢は大きく分けて二つあります。
1つは、さらに高いエネルギー（＝エネルギーフロンティア）での素粒子物理学の現象を知りたいということです。エネルギーフロンティアという方向性は、この60年間人類が追い続けてきた最先端のベクトルであり、常により真実を求める人類の究極の知的欲求ともいえます。全長27kmのLHC加速器ですら、約15年・5000億円以上かけてようやく完成しましたから、次世代のエネルギーフロンティア加速器実験を今の技術の延長で考えると100年後に完成するようなものになってしまいかねませんし、建設にかかる費用も想像を超える金額になってしまいます。世界的議論に加わる中で、コンパクトだけれども最高エネルギーに到達できるような全く新しい概念・イノベーションによる加速器の設計を実現したいと考えています。
2つ目は、一見、別々の議論のようである素粒子論と宇宙論とが、共通の目標を持てるような研究手法を提案したいということです。宇宙線の中には非常にまれではありますが、加速器で到達しているエネルギーよりも高いエネルギーを持つ粒子があり、地球にも降り注いています。「高いエネルギー」という意味でも、「宇宙創成時の物理法則の理解」においても、素粒子と宇宙は切っても切り離せません。この両軸が一緒になって取り組める課題を常に模索したいと考えています。そのためのひとつのステップとして、私の研究室ではATLAS実験だけではなく、ダークマターを直接探索するための次世代検出器についても研究を進めています。私はまだ研究者の中でも若い方で、あと30年は研究をすることができる幸せ者です。したがって、素粒子物理学の革命的な時期である現在、柔軟にものごとを考え、さらなるエネルギーフロンティアに貢献していきたいと考えています。
図5 今回の発表に関するCERNセミナー風景。ヒッグス場理論を提唱した英物理学者ピーター・ヒッグス博士も参加していた（右図）（写真提供：CERN）