Comparative evaluation of future collider options

宇宙は基本粒子から構築されており、数十年にわたり、科学者たちは巨大なマシンである粒子加速器を用いて、これらの粒子を驚異的な速度で衝突させてきました。こうした衝突によって生じる破片を研究することで、研究者たちは物質とエネルギーを支配する規則を解明し、人類を長年悩ませてきた問いへの答えを探求しています。これらの中で最も有名なマシンはフランスとスイスの国境に位置する大型ハドロン衝突型加速器（LHC）であり、これはすでに他の粒子に質量を与える粒子であるヒッグス粒子を発見してきました。しかし、現在のマシンがその能力の限界に達しつつある中、世界の科学コミュニティは次に来るものを見据えています。目標は、現在の手法では目にすることができない新しい物理学を明らかにする可能性を秘めた、さらに強力で深い現実の構造へと踏み込める新たな施設を建設することです。

大型ハドロン衝突型加速器を運営する欧州機構であるCERNからの新しい報告書は、進むべき異なる経路について明確かつ詳細な比較を提供しています。著者らは、選択肢の評価に長年を費やしてきた専門家グループであり、どの案が科学的有望性、技術的実現可能性、コスト、および環境への影響において最善のバランスを備えているかを判断するために、いくつかの提案された将来の加速器に関するデータを収集しました。彼らの仕事は単なるアイデアのリストではなく、決定を下す人々が欧州の素粒子物理学における次の主要プロジェクトを選択できるよう設計された厳格なアセスメントです。この報告書は、2040年代半ばに稼働を開始できる可能性があるマシンに加え、今世紀後半には稼動するかもしれないより野心的なコンセプトについても検討しています。また、粒子を巨大なループの周囲に誘導する円形加速器と、粒子を直線状に射出するリニア加速器を比較し、さらには電子の重い従兄弟であるミューオンを用いたエキゾチックな概念についても探っています。

報告書は、最も差し迫った優先事項である電子・陽電子「ヒッグス工場」に焦点を当てることから始まります。このタイプのマシンは、科学者が極めて高い精度でヒッグス粒子を研究できるように、膨大な数のヒッグス粒子を生み出すように設計されています。この役割における有力候補は、未来円形衝突型加速器（FCC-ee）と呼ばれる円形加速器です。このマシンは、フランスとスイスの田園地帯の下を通る全長約100キロメートルの新しいトンネル内に設置されることになります。FCC-eeはさまざまなエネルギーレベルで粒子を衝突させるよう設計されており、これによりヒッグス粒子などの粒子を比類のない正確さで研究することができます。報告書はこの円形の設計が高い効率性を備えていることを強調しています。なぜなら、粒子がループ内を移動するため、何度も再利用でき、同等の出力を持つ直線型のマシンよりも少ない電力を消費しながら大量のデータを生成できるからです。調査によれば、このマシンの建設には多額の投資が必要となり、その最大の割合はトンネル掘削や地上施設の建設に必要な大規模な土木工事に向けられます。しかし、チームはデザインが成熟しており、必要な技術はおおよそ入手可能か、あるいは完成に近い状態にあると指摘しています。

別のヒッグス工場の選択肢として、電子と陽電子を直線の軌道上で衝突させるリニア加速器があります。ここでは、コンパクト・リニア・コライダー（CLIC）と、日本のプロジェクトのデザインに基づきCERNに建設予定のリニア・コライダー・ファシリティ（LCF）という特定の二つの提案が検証されています。円形加速器とは異なり、リニア加速器は粒子を一回だけ発射するため、同じエネルギーレベルに到達するにははるかに長くする必要があります。報告書によると、これらのマシンは粒子の特性を理解するのに役立つ特徴である偏向ビームを生成できますが、ヒッグス工場に必要な比較的低いエネルギーにおいては、一般的に円形のものと比較してエネルギー効率が劣ります。CLICの提案は、第二の粒子ビームが主ビームの加速のための動力を提供する独自の方式を採用していますが、一方でLCFは他の大規模プロジェクトですでに実証されている超伝導技術に依存しています。著者は、これらのリニア式の選択肢も技術的には健全であるが、データの出力量が高く、得られる情報単位あたりのエネルギー消費量が少ないため、目下の将来にとってはFCC-eeの方が優れた道筋であることを結論づけています。

2050年代以降のさらに遠い未来に向けて、報告書はプロトン（陽子）を現在可能なあらゆるレベルよりも遥かに高いエネルギーで衝突させるマシンである、ハドロン衝突型加速器の建設の可能性を評価しています。FCC-hhがこの役割の主な候補となります。これはFCC-eeと同じ100キロメートルのトンネル内に設置されますが、電子・陽電子マシンが任務を終えた後、そのトンネルはプロトン衝突型加速器のために転用されることになります。このマシンは 강력한磁石を使用して最大85テラ電子ボルトまでのエネルギーまでプロトンを操り、それにより科学者が全く新しい粒子や力を発見することを可能にします。報告書は、このマシンに必要な磁石の技術が急速に進歩しているものの、必要な性能水準に達するためにはかなりの研究開発が必要になることを示しています。このプロジェクトのタイムラインは長期にわたっており、建設は2060年代に始まり、運用開始は2070年代になると予想されますが、それはエネルギーのフロンティアを限界まで押し広げる究極の目標を表しています。

また、本研究はミューオン衝突型加速器のような、より投機的なアイデアも検討しています。ミューオンは崩壊が早い不安定な粒子であるため扱いが困難ですが、プロトン衝突型加速器よりもはるかに小さなスペースで極めて高いエネルギーに到達できる可能性があります。報告書は、ミューオン衝突型加速器の物理学的ポテンシャルは刺激的であるものの、技術がまだ整っていないことは明白であると述べています。ミューオンビームをタイトに集束させるための冷却方法や、その崩壊によって発生する強烈な放射線を管理するといった重要な課題がいまだ解決されていません。著者らは、専用の研究に少なくとも10年以上を要しなければ安全な建設と運用が可能かどうかさえ証明できないため、ミューオン衝突型加速器を次の主要施設としての現実的な選択肢とはみなせないと断言しています。同様に、既存の大型ハドロン衝突型加速器のトンネルを新しいマシンのために再利用する可能性についても検討が行われました。一見するとこれはコスト削減策のように思えますが、本研究の結果、現行のトンネル内の空間は高エネルギーマシンに必要な高度な磁石を収容するには狭すぎること、そしてそのようなプロジェクトはいずれの真の次世代施設による建設をも数十年遅らせることになるであろうことが判明しました。

環境の持続可能性は、この評価全体を通じて大きなテーマとなっています。著者らは、トンネルの掘削、部品の製造、実験の実行に必要なエネルギーを考慮に入れ、これらの巨大なマシンを建設し運用するための炭素足圏を算出しています。その結果、建設段階、特にトンネルの掘削とコンクリートの生産が温室効果ガス排出量の大部分を占めていることが分かりました。しかし、報告書は、今後の電気使用量は、今後数十年にわたってヨーロッパの電力網がよりグリーン化していくことが予測されるため、おそらくよりクリーンな供給源からもたらされるだろうとも注記しています。粒子を再利用し、情報のユニットあたりに発生する廃熱を少なく抑えることができる円形加速器は、近い将来において最も環境に優しい選択肢として浮上しています。チームは他にも、既にCERNで成功裏にテストされている戦略である、機械が発生させた熱を利用して周辺の建物を暖めるなど、環境負荷を軽減する方法についても模索しています。

コストと資源に関しては、報告書は各プロジェクトが何を必要とするかの詳細な内訳を提供しています。円形加速器の初期フェーズにかかる費用は約150億スイスフランと見積もられており、これにはトンネル、加速器、および検出器が含まれます。リニア加速器は初期の建設費こそやや安価となる見込みですが、より高いエネルギーに到達するためには後に高価なアップグレードが必要になる可能性があります。これらのマシンを建設するために必要な人的資源も相当なものであり、建設期間中に1万人から1万5千人のフルタイム労働者を要するという推定が出ています。著者らは、現在の大型ハドロン衝突型加速器が2041年に運転を終了する前に、新マシンを確実に稼働させることができるよう、どの道を進むべきかの決断は間もなく下されなければならない（具体的には2028年から2030年の間に重要な選択が期待される）と強調しています。

最終的に、報告書は、電子・陽電子フェーズから始まり、その後プロトン衝突型へ進化する「未来円形衝突型加速器」こそが、欧州の素粒子物理学にとって最も堅牢で現実的な前途を示すものであると結んでいます。それは、ヒッグス粒子の精密測定の必要性と、最高エネルギーの領域を探求するという長期的な野心の両方のバランスを取っています。リニア加速器やミューオン・マシンといった他の選択肢にもそれぞれの利点はありますが、報告書は、それらが即座の目標に対しては効率が悪すぎるか、あるいは技術的な成熟度が低すぎて主要な焦点とするには時期尚早であると示唆しています。この研究は包括的なガイドとして機能しており、事実、課題、そして機会を提示することで、科学界とそのパートナーたちが、宇宙を理解しようとする探求を継続するための賢明な判断を下せるようにしています。