研究室の概要

山中卓研究室は、巨大な粒子加速器と巨大な粒子検出器を用いて素粒子の性質を解明することを目指しています。

研究内容

素粒子とは 私たちの住む世界には様々な物質があふれており、それらは原子で構成されています。
さらに原子はプラスの部分とマイナスの部分、すなわち原子核と電子に分かれています。
現在では原子核を構成する陽子・中性子よりもさらに小さな単位であるクォークや電子などが物質を構成する最小の単位であると理解されています。
これらを素粒子と呼びます。
素粒子を探る 私たちは粒子を光速近くまで加速させ、それらをお互いに衝突させるか固定された物質にぶつけることで、自然には存在しない素粒子を作り出し、その性質を調べたり未知の粒子を探したりしています。
そもそもなぜ素粒子を作り出すことができるのでしょうか。
アインシュタインによって導かれた式\(E=mc^2\)が教えてくれることは、エネルギーと質量は等価であるということです。
すなわち、エネルギーから質量を持つ素粒子を作り出すことができるということです。
また、エネルギーの大きさによって作り出される素粒子の質量が異なることもわかります。
  • KOTO 概要 宇宙には物質と反物質があり、それぞれ異なる性質を持っています。
    現在、宇宙では物質のみが存在し、反物質は通常存在することはありません。
    私たちKOTOグループでは、K中間子という粒子のまれな崩壊事象である、\(K_L\to{\pi}^0\nu\overline{\nu}\)を探索しています。
    この事象の探索を通じて、なぜ世界は物質で構成されているのかという疑問の解決につながる新しい物理の発見を目指しています。

    • データ取得 私たちは、2013年、2015年、2016年にJ-PARCで実験を行い、データを取得しました。
    現在、2015年及び2016年のデータの解析を行っていますが、十分なデータを取得しておらず、\(K_L\to{\pi}^0\nu\overline{\nu}\)の発見には至っていません。
    そのため2017年以降には更なるデータ取得を予定しています。

    山中研究室として KOTO実験では探索事象の起こる確率が非常に小さく、多くのバックグラウンドがあります。
    図の検出器で、CsI結晶を並べた電磁カロリメータのみが探索事象を検出するための検出器となっており、その他の検出器は全てバックグラウンドを消すためにあります。
    これまで、大阪大学のKOTOグループでは、実験のデータ収集システムの統合、CsI電磁カロリメータの建設、及びインナーバレル検出器(図のUpgrade MBに相当)の設計、製作、建設を行い、バックグラウンド事象を削ることに成功しています。
    現在は、バックグラウンドをより確実に取り除くため、CsI電磁カロリメータに新しく取りつけるMPPCという半導体検出に用いる回路の開発、及びその性能評価を行っています。

  • ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS) 概要 世界最大の円形加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を用い、現存する加速器の最高エネルギーを生み出すことで、質量の大きい新粒子を作ることができます。
    2012年には素粒子の質量の起源となるとされるヒッグス粒子を発見し、現在はその精密測定を行っています。
    また、宇宙の暗黒物質解明につながる超対称性粒子の探索も行っています。

    • 山中研究室として ATLAS検出器はLHCを用いて加速された陽子と陽子の衝突で生成される粒子を観測する汎用型の装置であり、生成される粒子の性質に合わせて様々な種類の検出器を用いています。
    衝突点から外に向かって順番に、粒子の飛跡を精度よく捉える内部飛跡検出器、粒子のエネルギーを測定するカロリーメータ、貫通力の高いミューオンの飛跡検出器が配置されています。
    私たち大阪ATLASグループは、内部飛跡検出器の半導体検出器の開発を行っています。
    また、博士課程後期では欧州原子核研究機構（CERN）に長期滞在しデータの解析を行っています。

  • SOI(Silicon on Insulator)技術
    私たちは肉眼で見えない素粒子を観測するために様々なセンサーを用います。
    その中の一つに半導体センサーがあり、荷電粒子の通過を検出します。CCDカメラにおける画素のように有感部分の最小単位を細かく区切った検出器をピクセル検出器と呼び、粒子がどこを通ったかがわかるようになっています。
    従来の半導体センサーは回路部分とセンサー部分が分離しているため、大型になってしまい性能や薄さの面で欠点を抱えていました。
    SOIセンサー技術は、回路とセンサーを一体化することで小型化、高性能化を図っています。

    • 山中研究室として 近年の高エネルギー実験では、センサーに高い性能が必要になっています。将来建設予定の加速器であるILC(International-Linear-Collider)では粒子の飛跡の精密測定のため、3um以下の位置測定精度と、散乱を抑えるための100um以下の薄さが要求されています。
    我々大阪SOIグループでは、その要求への一つの答えとしてSOI技術を用いたピクセルセンサー：SOFISTの開発を行っています。SOFISTはSOI技術によってピクセルの一つ一つに回路を搭載することで、ピクセルごとに電荷量や時間情報を獲得できます。
    SOFISTでは各ピクセルの電荷情報を組み合わせ、20um角のピクセルを超えて3um以上の測定精度を得られます。また金属による接合を行わないため、50umという薄さを実現しています。
    現在は位置測定の精度を測るためのプロトタイプを作成し、その動作試験を行っています。

    研究生活

    コアタイム(研究室にいなければならない時間) ミーティングやセミナーの時間を除けば決まった拘束時間はありません。
    朝早くから来る人もいれば、その人達と入れ替わりで夕方から来る人もいます。
    土日祝は基本的に休む人が多いです。

     設備 山中研究室に入ると机とPCが1台割り当てられます。
    基本的にはLinuxとMac OSXのいずれかです。
    また、研究室の冷蔵庫とポットと洗面台が自由に使えます。

     学部生(B4) B4はまだ授業があるので、特定の実験に配属される訳ではなく、スタッフや先輩の指導のもとB4だけで実験を行います。
    前期はμ粒子の寿命測定を通して、測定機器の使い方やプログラミングを通して測定データの解析方法などを学びます。
    後期からは卒業実験に取り組みます。卒業実験はB4自身で取り組むテーマを決めて実験を行います。
    また、通年で素粒子物理学と放射線計測の教科書の輪講を行い、基礎知識の習得に努めます。

     修士課程(博士前期課程) 修士課程からはそれぞれの実験グループに配属されます。
    修士課程のうちは、基本的には大学にいて、授業を受けたり、研究をすることがほとんどです。
    研究テーマによってはKEKなどで長期滞在する人もいます。

     博士課程(博士後期課程) 博士課程に入ると、KEKやJ-PARC、CERNなどの実験施設に直接行って作業や研究をすることが多くなります。

    研究室の雰囲気

    学部生、院生は同じ大部屋（H501~503）に席があります。
    すぐ近くに先輩の席があるので、困ったときに話を聞いてもらったり、趣味の話で盛り上がることがよくあります。
    教授やスタッフがその話の輪に加わってみんなで集まって語り合うこともしばしば。
    学生とスタッフ、実験グループの境なく仲良い研究室です。

     恒例行事 年に一度、研究室のメンバー全員で旅行に出かけます。
    ゼミ旅行ではありませんので、旅行中にゼミや研究発表をする訳ではありません。遊びに行きます。
    ラフティングをしたり、ハイキングをしたり、ゴーカートでレースを楽しんだり…
    詳しくは研究室旅行の写真を見てください。
    時期は年度によってまちまちですが夏~秋が多いです。

    研究室の見学

    当研究室は誰でもウェルカムです。