LHCで粒子を固定するエンジニア

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は2008年の稼働開始以来、物理学に対する私たちの理解を一変させ、研究者が宇宙の基本的な構成要素を調査できるようにしてきました。フランスとスイスの国境の地下約100メートルで、粒子はLHCの27キロメートルの円周に沿って加速し、衝突する前に光速にほぼ達します。

LHC は、これまで作られた中で最大の装置とよく言われます。施設で実験を行う物理学者が最も注目を集める傾向がありますが、LHC を稼働させるには何百人ものエンジニアや技術者が必要です。そのようなエンジニアの 1 人が、LHC を運営する欧州原子核研究機構 (CERN) でデジタル エレクトロニクスを担当する Irene Degl’Innocenti です。CERN のビーム計測グループのメンバーとして、Degl’Innocenti は、粒子ビームが移動する位置を測定するカスタム エレクトロニクスを作成しています。

「これは非常に難しいことを行う巨大な機械なので、必要な専門知識は膨大です」とデグリノチェンティ氏は言う。

彼女が手がける電子機器は全体の作業のほんの一部に過ぎず、LHC の巨大なトンネルに降りて機器の設置やテストを行う際、デグリノチェンティはそれを痛感している。しかし、彼女はこのような重要な取り組みに携わることに大きな満足感を覚えている。

「あなたはとても巨大なものの一部なのです」と彼女は言う。「宇宙で実際に何が起こっているかを理解しようとしているこの大きなコミュニティの一員であると感じます。それはとても魅力的です。」

高エネルギー物理学で働く機会

イタリアで育ったデグリノチェンティは、小説家になりたかった。高校時代は人文科学を専攻していたが、理科教師である母親の影響もあり、数学に対する自然な親和性があった。

「私はとても分析的な人間で、それは昔から私の考え方の一部でしたが、子供の頃は数学に魅力を感じませんでした」とデグリノチェンティは言います。「数学がもたらす可能性に気づくまでにはしばらく時間がかかりました。」

彼女は17歳頃から電子工学に興味を持ち始めました。論理的かつ数学的な思考を仕事に活かすにはそれが一番直接的な方法だと思ったからです。2011年にイタリアのピサ大学に入学し、2014年に電気工学の学士号を取得し、そのまま同分野で修士号を取得しました。

当時、デグリノチェンティさんは、エンジニアが高エネルギー物理学の分野で働く機会があるとは知りませんでした。しかし、彼女は、同級生がイリノイ州バタビアにある分詞物理学と加速器の研究所であるフェルミ国立加速器研究所で夏季インターンシップに参加したことを知りました。そこで彼女は、2015年にそこでインターンシップに応募し、採用されました。フェルミ国立加速器研究所と CERN は密接に協力しているため、彼女は LHC のコンパクト ミューオン ソレノイド実験のデータ処理ボードの設計に協力することができました。

次に彼女は、自宅近くでインターンシップを探して、学生が1年間にわたってプロジェクトに取り組むことができるCERNの技術学生プログラムを発見した。ビーム計測グループで働いていたデグリノチェンティは、修士論文の基礎となったデジタル取得システムを設計した。

粒子ビームの位置測定

2017年に修士号を取得した後、デグリノチェンティさんはピサ大学で博士号取得を目指しました。彼女はCERNの加速器施設内の粒子ビームの位置を測定する機器を製作するCERNのビーム位置セクションで研究を行いました。LHCには加速器リングの周りに約1,000台のモニターが設置されています。各モニターは通常、加速器パイプの反対側に配置された2組のセンサーで構成されており、各センサーの信号強度を比較することでビームの水平位置と垂直位置を測定することができます。

デグリノチェンティ氏によると、基本的な概念は単純だが、測定は正確でなければならない。粒子の塊が25ナノ秒ごとにモニターを通過し、その位置を50マイクロメートル以内で追跡する必要がある。

「私たちは何年も前からシステムの開発を始めますが、その後数十年間は機能しなければなりません。」

信号処理のほとんどは通常アナログで行われますが、博士課程の間、彼女はこの作業をできるだけデジタル領域に移行することに焦点を当てました。アナログ回路は扱いが難しいからです。アナログ回路は正確に調整する必要があり、時間の経過や温度の変動によって精度が変動する傾向があります。

「維持管理が複雑です」と彼女は言う。「地下100メートルの加速器内に1,000台のモニターが設置されている場合は特に困難になります。」

しかし、アナログをデジタルに変換すると情報が失われるため、Degl’Innocenti は最新のアナログ-デジタル コンバーター (ADC) のパフォーマンスを分析し、位置測定への影響を調査しました。

ビームモニターエレクトロニクスの設計

デグリノチェンティ氏は、2021年に電気・電子・通信工学の博士号を取得した後、上級ポスドク研究員としてCERNに加わりました。2年後、彼女はそこでフルタイムの従業員となり、研究の成果を新しいハードウェアの開発に応用しました。彼女は現在、2028年に完成予定のLHCの高輝度アップグレード用の新しいビーム位置モニターを設計しています。この新しいシステムでは、いくつかのADCや、デグリノチェンティ氏が新しいデジタル信号処理アルゴリズムを実行するためにプログラムするフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）など、ほとんどの電子機器を収容するためにシステムオンチップが使用される可能性があります。

彼女は、CERN のビーム位置モニターの設計、実装、継続的なメンテナンスを担当するわずか 15 人のチームの一員です。そのため、彼女はこれらの機器のセンサーとソフトウェアを設計するエンジニアや、加速器を操作して機器の要件を設定する物理学者と密接に連携しています。

「私たちは何年も前からシステムの開発を始めますが、その後数十年間は機能しなければなりません」とデグリノチェンティ氏は言う。

高エネルギー物理学における機会

デグリノチェンティ氏は、高エネルギー物理学には、高精度電子機器、真空システム、極低温工学など、エンジニアにとってさまざまな興味深い機会があると述べています。

「機械は非常に大きくて複雑ですが、私たちが見ているのは非常に小さなものです」と彼女は言います。「大規模な場合も、小規模な場合も、多くの大きな数字が関係しています。」

FPGA 設計スキルはあらゆる種類の研究施設で需要が高く、組み込みシステムもますます重要になってきていると Degl’Innocenti 氏は言います。重要なのは、エンジニアリングの知識をどこに応用するかについてオープンな考えを持つことです、と彼女は言います。彼女は、自分のスキルセットを持つ人々に CERN でチャンスがあるとは思ってもいませんでした。

「どんなテクノロジーが使われているのか常にチェックしてください」と彼女はアドバイスします。「どこかで働くことは不可能だと決めつけて、自分を制限しないでください。」

この記事は、2024 年 8 月号に「Irene Degl’Innocenti」として掲載されます。