EMANの物理学 過去ログ No.5186 〜

 ● LHCの実験を見守る

  投稿者:EMAN - 2008/08/28(Thu) 15:35  No.5186 
 とうとう近づいて来ました、LHCの稼働開始の予定日。
 CERNの公式サイトのプレスリリースでは
9月10日に稼働開始だそうですが、
これはまだ最高出力による運転ではありません。

 8月11日には時計回り方向の同期テストの成功、
つい3日前には反対周りの同期テストも成功とのことで、
順調に進んでいる様子が伝わってきます。

 最初の実験が10月頃だと聞いてますが、
どうしてそういうスケジュールになるのか、
詳しい事は私にはほとんど分かりません。

 でも結果が出てくるのをただ待つより、
今、まさに動き始めてるっていう雰囲気を楽しみましょう。

 このサイトで話題にせずにどうすんのじゃー、って感じです。
 良ければ加速器の仕組みや運用についてみんなで勉強しましょう。

  投稿者:明男 - 2008/08/28(Thu) 15:59  No.5188 
呼ばれないけど、飛び出て、ジャジャジャジャーン。

某所の加速器稼働計画を見てみると、初期稼働のエネルギーは最高エネルギーの数%くらい、それを徐々に上げていき、かつルミノシティー(輝度)も上げる必要がある。勿論消費電力もそれに準じてうなぎ登りでしょうから、電力の手当もいる。かてて加えて、周回タイミングを調整しなければならず、さらに計算機の最適化もはからねばならない。原子力発電のように最大出力到達までは何ヶ月もかかるようです。
おそらく、最高出力に保ったままルミノシティの積分値を稼いで行かねばならず、結果がでるのはさらにその先でしょう。

ただ、ブラックホールや重力異常などは比較的早期に結論が出そうなので、年内には何かコメントが得られるかも知れませんね。びっくりしたいもんだな。

  投稿者:EMAN - 2008/08/29(Fri) 09:38  No.5224 
 お久しぶりです、明男さん。

 私はまず「ルミノシティ」って言葉から再確認する必要がありました。 面倒な理論式はあるようですが、要するに衝突頻度のことですね。 エネルギーを上げても、衝突が効果的に起こらなけりゃ意味が無い。 技術的には色々気を使うことが多そうです。

 電力がどれくらいになるか、ってのも気になるものです。 発電所と協議が必要になるほどなんでしょうか? 初期のコンピュータでは近所のビルが停電したとか聞きますが。

 粒子そのものの運動エネルギーの合計は大したものじゃないんでしょうけどね。 消費電力の内訳が知りたいなぁ。 超伝導コイルの冷却が一番エネルギー食ってるのかな。

 加速器施設なんか見学したことがないので、分からない事だらけですよ。 一日何回使うのか、とか。 それともメンテナンスのために数日に一回だけなのか・・・、一回使うたびに電源を落とすのか、とか。
 「加速10秒前、総員、対電磁、対閃光防御!」とかアナウンスが入って、一斉にサングラスを装着したりするのか、とか。

 教科書に載ってませんし、科学館に展示があるわけでもないですからね。 見学ツアーとかあんのかな?

  投稿者:EMAN - 2008/08/29(Fri) 09:58  No.5226 
 加速器施設の一般公開してますね。
 今まで、行く機会なんて絶対ないと思ってたから、調べもしなかった。
  KEKは、土日祝日の常設展示もやってて、
年に一度の一般公開は・・・え! あさってじゃん!

 10名以上いれば予約して、平日も研究施設見学可!?
 オフ会の可能性もあるなぁ。
 いや、うちは遠いから軽々しく言えないんだけど。

 他も調べてみよっと。

  投稿者:明男 - 2008/08/29(Fri) 10:38  No.5228 
こんにちは。
私は理論系でしたが、実験系の連中はKEK(高エネ研)に行って修行してましたから、何をしとるんかいな、と興味津々でしたね。ルミノシティは電流強度がアナロジーになると思いますが、強度が大きいと粒子密度が大きくなるので衝突回数が増える理屈ですね。
ただ、求める衝突は御存知のように散乱断面積に比例しますから、恐ろしく小さく、何百、何千万回というイベント(衝突事象)データを蓄積しなければなりませんから、それをルミノシティ積分値と呼ぶようですね。

使用電力も半端じゃなく、ちょっとした町一つ分とか聞いたことがあります。やはり冷却が大きいでしょうね。加速コイルも相当大きそうです。コンピュータ自信やシーケンサ、観測機器も冷却が必要ですしね。
粒子の運動エネルギーは電力的には大した事はないですが、CERNくらいになると原子炉並の放射能防護施設が要るようです。なにしろ衝突しなかった大部分はどこかで止めなきゃいけませんからね。核反応どころでないエネルギーを持っているわけですし。

>「加速10秒前、総員、対電磁、対閃光防御!」
いやあ、実際そうなら面白いのになあ!
現実は連続運転で自動記録装置(データロガー)が天文学的イベント(多分、毎秒数億回)をこつこつため込んでいるんでしょうね。後からデータ解析によって初めて何が起こっているのか分かるわけですが、まるで砂金堀りのようだな、と思いますです、ハイ。
KEKではときどき見学ツアーを実施していますね。

  投稿者:EMAN - 2008/08/29(Fri) 22:55  No.5237 
> 現実は連続運転で自動記録装置(データロガー)が

 今日、あちこち調べてみましたが、運用状況を見るとそんな感じですね。
 一定期間、動きっぱなしみたい。

 かなり昔、テレビの映像で、加速器を紹介しているのを見た事がある気がして、
記憶がかなりあいまいなのですが、
そのイメージが固まってしまっていました。

 確かそれだと、まず実験を行うことを警告する回転ランプが光って、
作業員が配置を離れたあと、スイッチが入れられて、
「バシャーン」という乾いた音と、隙間から漏れる閃光があったりして、
「結構思ってたよりすごいんだな」と感じました。

 で、その後、写真乾板のようなものを作業員が手動で取り替えたりする・・・。
 それ以来、そういうイメージしか持っていませんでした。

 やっぱり実際に見学に行ってみて、
知識の修正をしておかないといけませんね。

  投稿者:sym - 2008/09/04(Thu) 11:30  No.5275 
こんにちは。

CERNの公式サイトを見て来ました。
以下のpdfがとても参考になりました。

CERN FAQ–LHC the guide
http://doc.cern.ch//archive/electronic/cern/others/multimedia/brochure/brochure-2006-003-eng.pdf

ぱらぱらめくった程度ですが、目についた数値を挙げてみます。

For proton
LINAC2 50MeV → PSB 1.4GeV → PS 25GeV → SPS 450GeV → LHC 5TeV
陽子(450GeV)はLHCに4分20秒かけて、ためられ、その後、20分かけて5TeVまで加速される。

For lead
LEIR (Pb^54+) 72MeV/u(energy per nucleon)
→ PS (Pb^82+) 5.9GeV/u → SPS 177GeV/u → LHC 2.76TeV/u

Circumference 26,659 m
Dipole operating temperature 1.9 K
Peak magnetic dipole field 8.33 T
Min. distance between bunchs 〜7 m
Design luminosity 10^34 cm^-2s^-1
Number of bunches per proton beam 2808
Number of protons per bunch (at start) 1.1×10^11
Number of turns per second 11,245
Number of collisions per second 600 million

Eight refrigenerators operating at 18 kW and 4.5 K will
be used to cool down LHC machine (36 800 t of mass) in about 2 weeks.

Average crossing rate 2808×11245 = 31.6 MHz

A beam might curculate for 10 hours.

The LHC power consumption is around 120 MW.

  投稿者:EMAN - 2008/09/04(Thu) 15:44  No.5276 
 symさん、ありがとうございます。
 役に立ちそうな資料ですね。
 私も読み始めました。

 120MWですか。
 1.21ジゴワット(笑)には及ばないけど、近い数値ですね。
ああ、ちょうど十分の1か。
 12万キロワットってことだから、発電所一基分くらい!

 明男さんの言われたとおり、
ちょっとした町、一つ分にはなりますよね。
とはいっても、分かり易い町を例として挙げられない。
 東京都全体と比べると、なんだ、そんなもん?って感じだし。
 (そう言えば、日本にどれくらいの規模の発電所が幾つ、
どこにあるかってのを自分は把握してないなぁ。
 自由研究の課題にしよっと。)

 あと、20分かけて加速ってのも、思ったより時間かけますね。
 10時間くらい回し続けるっていうのは、小出しにして使うってことですかね?
 もう少し調べてみます。

  投稿者:sym - 2008/09/06(Sat) 12:00  No.5277 
1.21ジゴワットって何のことだろ、と思ってたんですが
デロリアンの消費電力のことだったんですね。そういえば
ドクがそんなことを言っていた様な気がします。
調べてみたらジゴワットの説明が山ほど出て、びっくりしました。
けっこう有名な話だったんですね(笑)

1.21ジゴワットもですけど12万キロワットも量的にピンとこないです。
そもそも電力量って想像しにくいんですが、
町1つ分と聞いて、わかった感がするのが
なにか不思議な感じがします。
(日本にどれくらいの規模の発電所が幾つ、
どこにあるかってのは私もぜひ知りたいです)

えーと、おおざっぱに計算すると、

1分間に加速された分のエネルギーは
5TeV / 20min = 250GeV

同じように計算して1秒間には約5GeV

1秒間に陽子はLHCを1万周するから
1周当たり500keV

そんなものかなって気もしますが、詳しいことが知りたいところです。

こっちも大大雑把に計算してみます。
10時間回すと、
1秒当たり6×10^8回の衝突が起こるのだから、
6×10^8×60×60 で約2×10^12回の衝突が起こり、
衝突で減少する陽子の数は、衝突回数×2で4テラ個

スタート時の陽子の数は、
2×2808×1.1×10^11 
約600テラ個なので
衝突で減少する分の陽子の数を引くと
(600-4)×10^12 個
これでは、あまり減った感じがしませんね。

>A beam might curculate for 10 hours.
この文は原文を切って(改変して)いました。
パラグラフを載せます。

How long do the beams last in the accelerator?
という質問に対して、その答えが、
A beam might curculate for 10 hours, travellng more
that 10 billion kilometres, ehough to get to the planet
Neptune and back again. At near light-speed, a proton
in the LHC will make 11 245 circuits every second.
というものです。
10時間というのに根拠はないだろうと思われます。
文意を勘違いして書いてしまいました。
実際のところ、どうかはわかりませんが、
自動制御の状態では、何時間、あるいは何日でも回っていると思われます。

もうすぐ10日ですね。
あと4日、指折り数えてます。

  投稿者:sym - 2008/09/06(Sat) 13:33  No.5278 
間違えを修正しました。
もしかしたら、まだあるかも。。
修正の修正の修正の……修正ってことに
ならないように気をつけているつもり
だったんですが、、、気をつけます。

追記
キャビティの電圧が書いてありました。。
1個、2MVだそうです。
(修正はもうしない、明日から。心に決めました)

  投稿者:EMAN - 2008/09/06(Sat) 21:28  No.5279 
> えーと、おおざっぱに計算すると、

 ああ、そうですねー!
 20分って長いと思ったけれど、計算してみると、
確かにそれくらいずつしか加速できませんよね。


 それと、衝突も、衝突用の専用コースに誘導して、
一回きりだと思い込んでいました。
 せっかくそれなりの時間をかけて加速した粒子ですから、
何度も何度も衝突をチャレンジさせるのは理にかなってますね。

 すると、一度粒子を加速したら、しばらくは、
0から加速する必要はないってことになりますか・・・。

 かなり誤解したイメージを持っていたようです。
 他にもまだ知りたい事はあるんですが、
なかなか調べる時間が取れないでおります。

  投稿者:yuya - 2008/09/06(Sat) 22:24  No.5280 
>1.21ジゴワットもですけど12万キロワットも量的にピンとこないです。
>そもそも電力量って想像しにくいんですが、
>町1つ分と聞いて、わかった感がするのが
>なにか不思議な感じがします。

日本の年間総発電量は1兆kWhだそうで、この数字だけを使って可能な限り概算すると……。
仕事率に直すと約114ジゴワット。デロリアン約100台分。
人口1人あたりに直すと約1キロワット。僕は毎秒1000ジュールもらってるのか。
ってことは「発電するキロワット数」=「カバーする人数」になるので、
12万キロワットなら12万人分をカバーしますね。
人口12万人台の市の具体例はこちらにありますが、
http://www.tsuruoka-daiji.com/wp-content/uploads/2007/12/jititaidate2007.pdf
個人的にはこれを見てもあまり実感が……。

以上、「こども科学相談室」レベルのおはなしでした。

  投稿者:EMAN - 2008/09/09(Tue) 11:12  No.5286 
> 以上、「こども科学相談室」レベルのおはなしでした。

 いやいや、yuyaさん、感心しましたよ。
 巷で「地頭力」とか言って、「東京から新大阪までの新幹線で、コーヒーは何杯売れるでしょうか」とか、「日本全国に電柱は何本あるか?」とかいう問いが流行っていたようですが、それを思い出しました。
 こういう説得力のある推定法を思い付ける辺りがいいですね。


> 個人的にはこれを見てもあまり実感が……。

 私は10万人規模の町と聞けば、
身近なものとして割と明確なイメージがわきますよ。
 今もそんな町に住んでいますし。
 ああ、確かに、pdf資料を見ても、よく分かんないですね。



> もうすぐ10日ですね。
> あと4日、指折り数えてます。

 symさん、もう明日になりました。
 いやー、本当に動き出すんだなぁ。
 実験が順調に進む事を祈っております。

  投稿者:sym - 2008/09/10(Wed) 10:53  No.5287 
>10時間というのに根拠はないだろうと思われます。

10時間というのには意味があったようです。
下記のページの最後のほうに、
10時間経過した後、LHCをいったん空にしてビームを入れ直す
という旨の記述を見つけました。
ビームの質を保つのは私が思っていたより難しいことのようです。

http://athome.web.cern.ch/athome/LHC/operations.html

ついでにこれも。
LHCの全体像がわかる模式図があります。
http://athome.web.cern.ch/athome/LHC/lhc.html
衝突は、実験内容に合わせた検出器の内部で起こすと思われます。
つまり、ATLAS、CMS、ALICE、LHC-Bと書かれている点の
いずれかが衝突ポイントになるようです。

CERNの広報の力には驚かされます。
とにかく情報量があります。
LHCのことを調べていって、
なるほど、と思うような面白い情報に出会ったり、
荘厳で、圧倒的な迫力を持つ写真に目を奪われたり、
知らないこと、疑問なことを見つけて、悩み込んだり、
しました。

そうこうしている間に、つい時間を経つのを忘れて、
いつのまにか、
この日になってしまいました(笑)

とうとう始まるんですね。

実験の様子がライブ映像で見られるそうです。
これは目が離せません(笑)

  投稿者:明男 - 2008/09/10(Wed) 12:08  No.5288 
もう、三十年も前の話ですが、素粒子論・原子核理論を専門にしようとする学者のたまごは、理論系といえどもCERN詣でがトレンドでしたね。箔が付くのは勿論ですが、物理学はやはり実験あってこそです。当時でもp~-p(ピーバーピーと呼ばれる、陽子−反陽子衝突)の散乱は高エネルギー散乱の白眉であり、その膨大なチャンネルの解析は、また、実験の解析にも必要だった訳ですが、天才科学者が戦闘機なら、CERNの実験は大型空母で、もはや天才主導型の科学時代は終わった、とよく言われていましたね。
しかし、今考えると、やはり理論も実験も個人のアイデアと集団のパワーと両方が必要なようです。
名付けて、物理学における相補性原理と呼ぶかな。
あれ?もうあるような気がしてきた。

  投稿者:EMAN - 2008/09/10(Wed) 12:32  No.5289 
> 実験の様子がライブ映像で見られるそうです。

 え!本当ですか? 気付きませんでした。
 あわてて調べたところ、

 GMT7:00-17:00(日本時間16:00〜26:00かな?)

多分これで見れますかね?
http://webcast.cern.ch/

 他には一時間ごとに更新されるウェブカメラ映像として
ATLAS とか ALICE とかのも見つけましたけど・・・、

  投稿者:EMAN - 2008/09/10(Wed) 14:11  No.5290 
> 10時間経過した後、LHCをいったん空にしてビームを入れ直す
> という旨の記述を見つけました。

 ありますね!
 これ、まさに自分が気になっていた事です。
 ありがとうございます。


> CERNの広報の力には驚かされます。

 www発祥の地でもありますからね。さすが!

 今日はお祭りなので、こんなのも載せときましょう。
(ユーチューブなんで、音出ます。)
http://jp.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM

 さらに、こんなのとか。(音出ます)
http://jp.youtube.com/watch?v=1e1eLe1ihT0


 ライブ映像のページ、だんだんと
つながりにくくなってきたようです。

  投稿者:EMAN - 2008/09/10(Wed) 17:15  No.5291 
 ライブ映像、来ませんねー。
 「アクセスが多いので見れないかも」の
お詫びのメッセージがだいぶ前から出ています。

 ATLASの制御室はにぎやかになってます。

http://pcatdwww.cern.ch/atlas-point1/ATLASview/ACR.htm

 その他のウェブカムは繋がりにくくなってますので、
リンクは控えます。

  投稿者:ねじばな - 2008/09/10(Wed) 19:10  No.5292 
Googleの トップページのイラストみて わかんないなりに(笑)オリンピックと同じぐらいの ニュースなのかと思いました。


  投稿者:EMAN - 2008/09/10(Wed) 20:55  No.5293 
> Googleの トップページのイラストみて

 私も驚きました。
 googleも応援してくれてるよ!って。
 知らない人は、一体今日は何の日なの?って感じでしょうね。

 CERNのサイトによると、
今日の試験運転は成功だということです。
 良かったー。

  投稿者:明男 - 2008/09/11(Thu) 09:25  No.5294 
>ねじばなさん

「何来ぬと 目にはさやかに見えねども googleページにぞ 驚かれぬる」

あははは。世の中は色んな階層の人達が、色んな情報のヒエラルキーの中で、垂直思考しておるのでありますね。
情報の氾濫に一見反して、情報の共有が難しい時代なのかも知れません。

>オリンピックと同じぐらいの ニュースなのかと

言い得て妙です。物理界のオリンピックです。選手達が思い思いに描いてきた姿(世界観)が、試され、選抜され、新たな世界新が決まるでしょう。オリンピック新で終わる可能性もありますが・・・(笑)。

  投稿者:凡人 - 2008/09/13(Sat) 20:26  No.5298 
冗談だとは思いますが、
http://cosmicvariance.com/2008/08/04/what-will-the-lhc-find/
によると、LHCで神が検出される確率は、10^-20%だそうです。

  投稿者:EMAN - 2008/09/13(Sat) 21:48  No.5299 
 ははは。
 ブラックホールが何もかも飲み込む確率よりは高いのか。
 妥当な線ですね。

 直接検出は難しくとも、
実験結果の中に神を見出せる人がいるといいですね。
 数字を小さめにしてあるところに好感が持てます。

  投稿者:ねじばな - 2008/09/16(Tue) 12:41  No.5300 
明男兄様

>「何来ぬと 目にはさやかに見えねども googleページにぞ 驚かれぬる」

さすが 明男兄様 引用が 心憎いばかりです〜

で〜もでもでも この歌を引き合いに出すと LHCの実験てどんな音があるんですかあ?と 生徒が質問しますよ

  投稿者:明男 - 2008/09/16(Tue) 13:48  No.5301 
>ねじばなさん

>LHCの実験てどんな音があるんですかあ?

なるほど、良い所に気付きましたね。感覚が鋭いねじばなさんらしいです。思わず、ちょっと想像してみました。

「グォーン、グォーン、グォーン。シュビシュビッピー、キュイーン、キュイーン、ズババババッバ、ヒューン。ヒューン。グワラン、グワラン、コケコッコー」
てな具合かな(ウソ)。
おそらく、一個大隊くらいのブレーメンの音楽隊が立てる音だと推察します。

そのこころは、LHCなので、「Large Hen's Cock-a-doodle-doo」だから(Henは雌鳥だから、これもウソ)。

  投稿者:yuya - 2008/09/16(Tue) 16:03  No.5302 
>おそらく、一個大隊くらいのブレーメンの音楽隊が立てる音だと推察します。
くぅ〜、やられましたぁ。
まあ僕の考えたものと言えば「ハァ〜〜〜、ドロンドロン!」くらいだったわけですが。
なかなか「コレダ!」というのが思いつきませんでした。

  投稿者:EMAN - 2008/09/16(Tue) 17:13  No.5303 
> 「ハァ〜〜〜、ドロンドロン!」

 私の笑いのつぼにはまりましたよー!ヾ(≧▽≦)ノギャハハ

> なかなか「コレダ!」というのが

 こ、これはコライダーと掛けているのか? ひょっとして。

  投稿者:yuya - 2008/09/16(Tue) 20:18  No.5304 
EMANさん:
>こ、これはコライダーと掛けているのか? ひょっとして。
あわわ……colliderは「コリダー」だと思って、掛けたつもりになってました(汗)。
あわてて辞書を引きましたが、やっぱり「コライダー」でした(^^;)

  投稿者:EMAN - 2008/09/16(Tue) 22:04  No.5305 
 yuyaさん、
その慌て振りを見て、再び楽しい気持ちになれました。

  投稿者:EMAN - 2008/09/19(Fri) 11:27  No.5307 
 昨日、CERNのサイトに報告が出たようです。

 ・初めの衝突テストは数週間内に行う予定。
 ・極低温用の電源トランス(30トンのでかいやつ)を
     交換して調整中?
 ・しばらくは一方向ずつのビームを使って、
     ビームを収束させる試験を行う。
 ・速めの粒子を減速、遅めの粒子を加速して、
    粒子群のひとかたまりを長さ 11 cm くらい
    の範囲に収める必要がある。

 英語を母国語のように読みこなせたらいいんだけどなぁ。
 再勉強中です。

 「数百もの軌道を達成した」とか書いてあるので、
一定の軌道を飛ばすというイメージではなくて、
人工衛星の軌道を制御するような、難しい技術なんだろうなぁ
と想像します。