人工的にエネルギーの値が分ったものを使えば、解析がとても楽になるからじゃよ。 それに何処で反応するか分っていれば、検出器も前もってそのまわりに準備しておけるじゃろ。 素粒子実験の検出器は知りたい物が、多ければ多い程検出器は大きくなる。 だから可能なかぎり反応場所は把握できた方がいいわけじゃ。

宇宙線ではいつ何処に飛んで来るか分らないのダー！

宇宙線はどんな粒子が、どんなエネルギーをもって、いつ、どの方向から飛んで来るのか分らないんじゃ。 それに宇宙線はたくさん飛んで来るわけじゃないから、素粒子の精密実験としては効率が悪いのじゃよ。 だから加速器は素粒子実験には欠かすことの出来ない装置なのじゃ。

現在では医療分野などへの応用として研究などがされておるのじゃ。 これはがん細胞に加速した粒子を当てることで、細胞に変化をもたらすものである。 従来の放射線治療に比べて患者への負担が軽減されることで注目されているじゃな。

電子顕微鏡の一部としても加速器が使われているのダー！

リニアコライダーは通常の電子顕微鏡の約１億倍の電圧で加速しておるのじゃ。 素粒子などのとても小さい世界を見るという意味でも、 リニアコライダーは巨大な顕微鏡であるとも言えるのじゃな。

建設予定地はまだ決まっていないのじゃが、長年研究を続けてきた日本、アメリカ、ヨーロッパが 主な候補になっておるぞ。加速器の建設に適した土地を見つけるために、各国で地質調査が行われているのじゃ。

色々な土地を飛び回って地道に調査していくのダー！

やわらかい地盤だと時間を経るごとに加速器が傾いてしまうのじゃ。 ある程度硬い地盤でないといけないのであります。

レプトンという族は電子，ミューオン（μ粒子），タウオン（τ粒子）と呼ばれる-1の 電荷を持つ荷電レプトンと，それらの相棒である３つの中性のニュートリノから構成され ておる。ニュートリノはそれぞれの相棒が違うという点を除けばその性格はあまり変わら ない。荷電レプトンはそれぞれ質量が違うことを除けば性質は全く同じなのじゃが，まさ にそのことによってそれぞれの荷電レプトンの振る舞いはそれぞれ異なっているのじゃ。

崩壊したあとにできる粒子が全然違うのダー！

その通りじゃ。重たい粒子は軽い粒子に崩壊できるのじゃが，逆に軽い粒子は重たい粒 子には崩壊できないのですな。たとえば重たいタウオンはより軽いミューオンや電子に崩 壊できるが，ミューオンはタウオンには崩壊できない。タウオンの崩壊先としてパイオン （π粒子）も挙げられるが，ミューオンからパイオンはできない。また電子は一番軽いの で何にも崩壊できずに安定でいるのじゃ。そしてこれらはすべて，それぞれの荷電レプト ンの質量だけから決定されているのです。

昔から科学者はなるべく少ない構成要素で自然を理解しようとしてきたのです。 その中で考えられてきた、実験の結果と矛盾なく自然現象を説明できる理論での 最少単位を"素粒子"と呼ぶのですな。 現在は物質を構成するクォーク、レプトン、及び力を媒介するゲージボソンと それらの粒子に質量を与えるヒッグスボソンを素粒子として自然を捉える考え方 （標準理論）が最も完成された素粒子理論だと広く信じられているのじゃ。

標準理論にもまだ実験的検証の余地がありますネ！ ヒッグスボソンはまだ発見されていないのダー！

その他にも様々な素粒子を仮定した理論が存在し、実験的な検証を待っております。 誰にも創造できていない素粒子が存在するかもしれませんな。 標準理論、及びその枠を超える物理モデルの検証、未知の素粒子の探索などが ILCの重大な使命となるのですな。

レントゲン写真というものは光の一種であるX線を用いておるのじゃ。 そのX線の透過度の違いを利用して、フィルムに焼き付けているのじゃな。 骨や腫瘍などは透過度が低く影として見えて、 皮膚や筋肉などは透過度が高いためにX線を通してしまうのじゃ。

最近では、MRIやCTなども普及してしてきたのダー！

医療分野では、様々な新しい装置が活躍し始めたのじゃが、 X線写真も空港や貨物場などで、まだまだ活躍しておるのじゃ！ 骨折した時など、とても多くの人がお世話になっている技術なのじゃな。

素粒子のうち、強い相互作用をするフェルミオンをクォーク、強い相互作用をしないフ ェルミオンをレプトンと呼んでいるのじゃ。クォークもレプトンも６種類ずつあり、レプ トンの中にはさらに電子の仲間とニュートリノがいるのです。クォークとレプトンは電磁 相互作用や弱い相互作用はともに起こるが、強い相互作用が両者の性質をかなり異なるも のにしているのですな。

クォークは単体では取り出せないのダー！

クォークは陽子や中性子、中間子の中に閉じ込められていて、外に出てくることができ ないのじゃな。これは強い相互作用の性質によるものなのですな。一方でレプトンは陽子 や中性子のような束縛状態を作れないので、素粒子のままで存在しているのじゃ。

加速空洞を超伝導状態にするためじゃ。超伝導空洞は常伝導空洞に比べて少ない消費電力 で高い電場が得られるのじゃ。ILCではニオブ材でできた空洞を液体ヘリウムに浸して超 伝導状態にするのじゃな。

冷たい液体ヘリウムで空洞を冷却するのですネ。

そうじゃ。ILCでは、２ケルビンまで冷やした液体ヘリウムを使うのじゃ。ここまで冷却 すると、液体ヘリウムは、超流動という面白い性質を示すようになりますぞ。

すべての物質は原子でできていて、その原子は電子と原子核によってできている。 中性子はその原子核の一部であります。 その名の通り電荷を持たない中性な粒子なのじゃ。

陽子の相方のような粒子なのダー！

水素原子を除くすべての原子の原子核は陽子と中性子でできていて、原子核内ではしょっちゅう互いに入れ替わって いるのじゃ。また自由な中性子は寿命も短く、単体としては自然界に存在しないのじゃ。

主に光電子増倍管という装置を用いて検出するのじゃ。 光が光電面に当たると、電子を叩き出す。それに電圧をかけて増幅することで、 電気信号として読み取っているのじゃ。 スーパーカミオカンデの巨大光電子増倍管など有名じゃな。

ILC実験では次世代の光検出器を使うことを検討しているのダー！

新たに半導体を用いた光検出器が開発されているのじゃ。 光電子増倍管は磁場中では使用できないという欠点があったが、 新しい光検出器は磁場に影響を受けないという特徴があるのじゃ。

標準理論で考えられている全ての素粒子には、スピンが1/2だけ異なる 相方の粒子（超対称性（SUper SYmmetry）粒子）が存在するとする理論が 超対称性理論ですな。 超対称性は、標準理論が持つ理論的な問題点を解決するため導入された もので、標準理論の枠を超えた理論なのであります。 超対称性があった場合、特に高エネルギー状態での標準理論の持つ問題点を スマートに解決できるのですな。 また超対称性粒子はダークマターの候補としても有力なのです。

これまでに超対称性粒子は一つも見つかっていませんネ！ これは超対称性が”破れた”対称性で、超対称粒子が大きな質量を持つためと 考えられているのダー！

2007年稼動予定のLHC加速器を用いて、理論的に十分な領域まで超対称性の 探索が行われる予定ですな。 超対称性粒子が見つかった場合、ILCではその性質を精密に測定することができます。

加速器実験ではより細く、広がりにくい電子、陽電子ビームを作ることが 非常に重要なのですな。 これはビーム中の電子や陽電子の密度を高め、それらが衝突して 高エネルギー状態を生成する確率を大きくするためであります。 高エネルギー状態から特定の素粒子反応が起こる確率は、反応ごとに一意的に決まっております。 よってILCがターゲットとする反応をより多く起こすには、より細いビームを作ることが必要なのですな。

ビームが衝突して反応を起こす頻度は「ルミノシティ」という量で表されまネ！ ルミノシティはビーム断面の半径の2乗に反比例するのダー！

現在ルミノシティの世界記録はKEKB加速器が持っており（17.188/nb/sec）、その ビーム幅は水平方向に約100μm、垂直方向に数μmであります。 ILCではそれを大きく超える５nmサイズのビームを作ることを目指しているのですな。

電子ビームとは多数の電子の集合体です。加速器を通っている間に形が変わりま すが、衝突点では縦方向に5ナノメートル、横方向に600ナノメートル、長さが 300マイクロメートルの偏平な形になるのじゃ。

一つのビームは200億個の電子の集まりなのダー!

この偏平なビームが300ナノ秒間隔で衝突点に飛んで来るのじゃ。 陽電子ビームは陽電子の集合体で、形状等は電子ビームと同じです。

私たちのよく知っている物質を構成する素粒子はアップクォークとダウンクォーク そして電子と電子ニュートリノからなりたっておる。 しかし、研究が進むにつれ、量子数（素粒子の性質を表したもの）は全く同じだが、 質量が違うものが発見されたのじゃ。

その違いを世代と呼ぶことにしたのダー！

現在は世代は３世代まで見つかっておるが、なぜ３世代で終わりなのかはまだ わかっておらんのじゃ。

質量の起源と呼ばれるヒッグス粒子は未だ未発見の粒子であり、 世界中の科学者が発見を目指していますな。 質量とはいわゆる重さのことで、物質の加速されにくさを表すのであります。 驚くべきことに現在最もよく自然界を記述する理論では素粒子は 本来質量がゼロだと考えるのであります。

標準理論ではヒッグス粒子に物質粒子がぶつかり抵抗をうけることで 質量が生じると考るのですネ！ このメカニズムをヒッグス機構と呼ぶのダー！

ヒッグス粒子が存在することで初めて質量が生まれ、理論と自然界との矛盾が 解消されるのであります。 つまりヒッグス粒子が質量の起源なのですな。 実は質量の存在を説明する理論は他にもありますが、最も有力だと思われているのが ヒッグス機構なのであります。

現在確認されている素粒子の一つで、電荷を持たない粒子なのじゃ。 電子、ミュー粒子、タウ粒子と対応して、 それぞれ電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノと３世代ある。 近年の実験から、とても小さいが質量を持つことが確認されているのじゃ。 弱い相互作用と重力相互作用しかしないために、観測するのがとても困難なの じゃな。

宇宙からも大量に降り注いでいるけど、人体ぐらいでは簡単に通り抜けてしまう のダー！

あまり他の粒子と相互作用しないという性質から、逆にニュートリノは遠くの宇宙の情報だったり、 星の内部の情報などを伝えてくれるのじゃ。

素粒子の世界では質量やエネルギーの単位としてGeVを使いますな。 アインシュタインの式E=mc^2より両者は同一の単位で表すことができるのであります。 質量としてみた場合、1GeVは約10^-24gに相当するのですな。 これは陽子1つの質量とほぼ同じ値であります。 エネルギーとしてみた場合、1GeVは約10^-10Jに相当しますな。 250億GeVのエネルギーで1gの水の温度をやっと1℃上げることができるのであります。

思っていたよりもずっと小さな量なのですネ！ リニアコライダーのエネルギーは数100GeVですが、このようなエネルギーで ビッグバンの状態を作ることができるのですカ？

エネルギーがごく小さな点に集まっていることが大切なのですな。 電子、陽電子のような素粒子にエネルギーが集約し、対消滅したときに ビッグバン状態が実現するのであります。

照準を合わせるには、進行方向を微調整しなければなりません。 加速器の中にはいくつもの電磁石が設置されていて、 磁石の力で電子、陽電子の進行方向を操作しているのじゃな。

四極電磁石、六極電磁石など加速器には数種類の電磁石が使われているのですネ。

加速器の中は、無数のポンプを使って真空にしてあります。加速器内 に空気があると、電子、陽電子の進行が妨げられるからですな。

加速空洞というものを使って加速しているのじゃ。 電磁波いれると電子の進行方向に平行な電場ができるように空洞を設計し、 そこに電子を入射すると電場からエネルギーをもらってどんどん加速されるのじゃ。

ILCでは大きくわけて二種類の加速空洞が使われるのですよネ？

そうじゃ。５ＧｅＶまで加速する部分とそこから５００ＧｅＶまで加速する部分じゃな。 １eVというのが１Ｖの電場で加速される電子のエネルギーじゃから、その１１乗を超えて加速するのじゃ。

陽電子は電子の反粒子で自然界にはほとんど存在しませんな。 加速器で加速する陽電子はタングステンなどの重い金属に 高エネルギーの電子を入射させて作るのであります。 タングステン中のでは原子核により電子ビームが制動放射を受け 高エネルギーの放射光を出すのであります。 この放射光が電子と陽電子を作り、更に生成された電子が放射光を 出しというようにして多数の陽電子が作られるのですな。

電子のエネルギーから陽電子を作るのですネ！ この現象はまるでシャワーのように粒子を生成するので「電磁シャワー」 と呼ばれているのダー！

その後、生成された陽電子を磁場を用いて分離して加速するのですな。 現在は標的粒子として純粋な結晶を用いた場合より強度の高い陽電子 ビームが作れることが分かっており、精力的に研究がなされているので あります。

ILCでは、電子と陽電子がぶつかって対消滅します。消えた電子と陽電子は、一時的に エネルギーに姿を変え、このエネルギーの一部が再び粒子（電子、陽電子とは限らない） に姿を変えます。このようにしてできた粒子を研究しているのじゃな。 核融合発電では例えば、重水素と三重水素を融合してヘリウムをつくります。このとき、 重水素、三重水素の一部がエネルギーに姿を変えます。こうして生じたエネルギーで水を 沸かし、タービンを回して発電するのじゃ。

粒子がエネルギーに変化するという原理は同じだけど、使い道が違うのですネ。

粒子（質量）がエネルギーに変わったりエネルギーが粒子（質量）に変わったりする現象は、 アインシュタインが有名な等式E=mc2で予言したものじゃな。

光で見ることのできない物質のことじゃな。 宇宙空間にある恒星は色々な波長の光を出していてそれを検出することで その星の質量を決定しております。 しかし、渦巻き銀河の回転から導かれる銀河全体の質量は、観測されている 星の質量の和よりもはるかに大きいのじゃ。 まだ未観測の質量の起源をを総称してダークマターと呼んでおるのじゃな。

光らない塵とか惑星のことですカ？

それらも確かにダークマターの一例じゃな。 しかし、それらだけではどうにも説明がつかん。 我々が第一の候補と考えておるのは超対称性粒子というものである。 それは来年より始まるCERNでのLHC実験で発見されるかもしれん。

加速器実験ではその名の通り加速器を用いて行おうとしています。 二種類の荷電粒子を光速近くまで加速して、それを１秒間に何億回も衝突させて、 そこから生まれる大量の粒子の情報をできる限り逃さずに集めるのじゃ。

１回だけ起こればいいという訳ではないのダー！

本当に新しい物理が起こったのかどうかという事は、 同じ現象を何度も観測することによって、初めて認められる物なのじゃな。 だから、正確性がとても重要になってくるのじゃ！

ILCのような加速器実験では粒子の衝突点の周りに測定器をおいて どの様な反応が起こったのか観測するのですな。 素粒子反応の性質を理解するために最も重要なのは粒子の磁場中での 飛跡とエネルギーなのであります。 測定器はこの２つを正確に測定できるように設計、配置されるのですぞ。

ほとんどの測定器は素粒子と物質との反応を電気シグナルとして検出しますネ！ ILCでは具体的にどのような測定器が使われるのですカ？

飛跡検出器として生成後、数mmほど走り崩壊してしまうボトムやチャームクォークの 崩壊点を測定するためのバーテックス検出器、崩壊後の粒子の飛跡を測定する 中央飛跡検出器、貫通力の強いミューオンを検出するミューオン検出器があげられますな。 エネルギーの測定はカロリーメーターと呼ばれる検出器が行うのであります。

実験で現在までに発見された素粒子は24種類じゃな。 これらの内、12種類はフェルミ粒子と呼ばれ、残りの12種類は ボーズ粒子と呼ばれるのじゃ。フェルミ粒子というのは物質を構成する粒子で、 クォーク（トップ、ボトム、チャーム、ストレンジ、アップ、ダウンの6種）とレプトン（電子、 ミューオン、タウオン、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの6種） から成ります。ボーズ粒子は引き合ったり反発したりする力を粒子間に発生させる粒子で、 光子、W+粒子、W-粒子、Z0粒子、グルーオン（8種ある）から成るのじゃ。

将来の実験で重力子やヒッグス粒子や超対称性粒子という粒子が発見されると期待されているのダー。

普段の生活で触れている物質はどれも陽子と中性子と電子（3つ合わさって原子をつくっている）でできています。 陽子も中性子もアップクォークとダウンクォークだけでできているので、実は私たちの周りのものはすべてたった3種類の素粒 子（アップクォーク、ダウンクォーク、電子）だけでできているのじゃな。

今から約１３７億年前にビックバンという現象から始まったのじゃ。 現在ある宇宙が全て一点に集中していたのが、爆発と同時に拡がり始めたのじゃな。 その後、膨張し続けて現在の宇宙となっているのじゃ。

宇宙は光の速さで膨張しているのダー！

宇宙の大きさというのは現在、我々が知り得る限りで１３７億光年ということになるのじゃ。 これは、光より速く伝わる物は無いという仮定から、これより遠くを見ることはできないからなのじゃな。 ちなみに「光年」というのは、光の速さで進んで１年掛かる距離を言うのじゃ。 宇宙はとっても大きいのじゃ。

加速器を用いて見つけるのじゃ。 ヒッグス粒子もヒッグス粒子自身と相互作用して質量を持つため、その質量に相 当するエネルギーを作ることができれば、ヒッグス粒子を生成することができます。 水面を叩いたら水滴が飛び散るようなイメージじゃな。

そうなのダー。我々はヒッグスの海の中に生活している魚のようなものなのですネ。

リニアコライダーでは大量のヒッグス粒子を作り出して、その性質を詳しく調べることができるのじゃな。

ヨーロッパのLHC加速器は陽子と陽子を、アメリカのTevatron加速器は 陽子と反陽子を衝突させるのです。 電子と陽電子を使うのはリニアコライダーの特徴の一つなのですな。 電子は自由に振舞える最も安定な”素粒子”なのであります。 粒子が自分の反粒子と衝突すると純粋なエネルギーができ、 他の粒子が生成されるのでありますが、素粒子である電子を用いた場合は そのエネルギーの大きさが正確に計算できるのですな。 素粒子でない陽子を使うとエネルギーの大きさが正確に分からず、 精密な測定が難しくなるのであります。

でも電子は円形加速器では加速しにくい欠点があるのですネ。 今世界で一番エネルギーの高い加速器は陽子加速器なのダー!

リニアコライダーでは、加速しにくいという電子の欠点を無視できます。 高いエネルギーで精密な実験のできる、まさに究極の加速器なのでありますな。

現在、高エネルギー実験に加速器は欠かせない物となっているのじゃ。 一つの大学の一つの研究室だけではできなくなってしまったのじゃな。 いろんな分野の専門家達が世界中から集まって、一つの大きな実験に取り組んで行くのじゃ。