立教大学

素粒子?原子核物理学で用いられる巨大加速器は高エネルギー化を目指した大型化と共に高精度化を目指した大強度化が進んでいます。大強度加速器では衝突などで発生する大量の粒子線の数を数える「計数」処理が必要ですが、発生する粒子が多すぎると信号が重なり、またデータの処理が追い付かず数え落としが発生し、強度を活かしきれない場合があります。本研究で開発した計数技術により従来技術では毎秒100万個程度で数え落としが生じる測定において、毎秒1億個まで数え落としのない計数に成功し、かつ毎秒10億個まで処理可能な能力があるものと評価出来ました。本研究によりこれまでの1000倍の計数速度をもった計測装置が実現出来、量子重力理論等の最先端の物理学上の仮説を検証する次世代の超高精度の研究が可能となります。実際にアインシュタインの特殊相対性理論の基礎である、時空の対称性であるローレンツ対称性の検証実験に既に実装が進められています。

また粒子線計測への適用だけでなく、本技術はコンピュータやデジタル回路で用いられる、論理値が1か0かの2進数論理回路に対し、論理値を3以上の一般のnに対するn進数に拡張した論理演算が可能である事も実証しました。この拡張により、論理値が真（1）か偽（0）かの2値ではなく、中間的でグレーな信頼性を持つ場合の実数（n値）論理演算や、PCなど従来技術で行われている高動作周波数化や高バス密度化による以外に、論理値方向へも情報格納を拡張する事で、計算や情報通信における大容量化を達成する可能性を示しました。2値の確定した論理ビットを用いる古典コンピュータ、2値の状態が確定しない量子ビットを用いる量子コンピュータのいずれにも属さない、信頼性が白黒に確定しないグレーな情報をそのまま演算に用いるn進数コンピュータなどの考案につながる可能性も期待できます。

この研究成果は日本物理学会の発行するProgress of Theoretical and Experimental Physics (PTEP) 誌に掲載されました。

素粒子?原子核物理学で行われる加速器実験の装置は一種の巨大な顕微鏡であり、照明としての粒子加速器と、カメラとしての粒子検出器から構成されます。可視光を用いる光学顕微鏡で観察するより、照明光の波長が短い（エネルギーが高い）紫外線顕微鏡を用いる方が分解能は上がり詳しく構造を観察することが出来るのと同様に、粒子加速器では加速する粒子のエネルギーを大きくすることで原子核よりも小さな世界などを観察することが出来ます。一方、暗い照明よりも明るい照明の方が得られる観察像はくっきりと滑らかで精度の高い観察が可能なのと同様に、加速器で生成される粒子線＝ビームの強度は高い方が実験結果の信頼性が向上します。こうした科学計測上の要望を受けて、世界中の巨大加速器施設では高エネルギー化と共に大強度化が進められています。

しかしあまりに照明が強い状況で写真を撮ると真っ白に飽和してしまうのと同様に、あまりにビーム強度が高いとカメラとしての粒子検出器が、発生した粒子の量を正しく計測できず、飽和（数え落とし）が発生してしまいます。光は量子化した、つまり粒々の光子として観測されますが電子など全ての素粒子も同様に一つ一つ個数を数えられる粒子として観測されます。そこで加速器を用いた物理学の実験では現象を観察する際に、検出器に入ってくる粒子を一つ一つ区別して観察する事が基本となります。ラジウムなど放射能が発見された初期には、放射能から発生する放射線を検出器で捉え、そこで発生する電荷信号を電流という形で均し、電流計を用いて計測していました。その電流が放射線の数に比例する原理です。しかし近代的な実験では一つ一つの素粒子反応や崩壊の事象を観察する為、時間的に均したアナログ値の直流電流ではなく、検出器に入ってきた粒子も一つ一つ区別して整数値として計測することが一般的です。これは高感度の検出器や高速の電子回路が開発されたことによって実現した現在の基礎的な技術です。

例えば放射性同位元素が崩壊する際、その半減期を測定する実験の場合、集められた放射能から放出される放射線の強度、つまり時間当たりの数が指数関数的に時間的に減少していく様子を観察すれば半減期を決定できます。その際、検出器に放射線が到来した時刻を記録し、その頻度を時間の関数として記録すれば指数関数的に頻度が減少する様子を示した頻度分布が得られます。つまり放射線の有無を判定し、その到来時刻を記録する操作が必要です。

ところが、あまりに放射線の強度が高すぎると、到来の有無の判定に要する処理時間やデータを転送?記録する処理時間、さらには検出器からの電気信号そのものが消え去る前に次の粒子が到来して信号が重なってしまうなどの影響で、記録される計数値が飽和してしまいます。ガイガーカウンターが「ピ、ピ???」とバラバラに反応している状態は放射線を一つ一つ区別出来ている状態ですが、極めて放射線強度が高い場合には「ピー」と連続音になってしまう状態と同じです。これでは頻度の変化がわからず半減期などの科学的な計測が不可能となってしまいます。そこで信号やデータの処理時間を大規模電子回路によって高速化したり、検出器の応答時間そのものを短時間に抑えたり、また検出器を小さくして、かつ数を増やすことで検出器一つあたりの計数率を下げたりといった工夫がされますが、実験装置の大規模化、高コスト化に直結してしまいます。

本研究ではこうした巨大科学化に頼らず、粒子を一つ一つ区別して計数するという実験手法の基本原理に立ち返ってこれを見直し、測定量によっては粒子線をその場で一つ一つ区別することなく検出器からの電流信号のアナログ波形をそのまま記録出来れば、飽和による制限を超越して半減期などの科学的に興味のある量を計測可能であることに着目しました。例えば1分間程度の比較的長い時間スケールで変動するような電流信号であればその時間変化の計測は通常の電流計でも容易ですが、加速器実験ではナノ秒（10億分の1秒）スケールでの変動を記録する必要がある場合もある為、通常の電流計では実現不可能です。本研究では、近年高速化が進むデジタル機器の性能を活かし、2ナノ秒毎に電流を記録することでこれを実現しました。1秒間に5億回（500メガヘルツ）の電流計測を行うものです。

検出器の出力波形を示す電流記録という測定原理に基づく測定装置は、大学院生（当時）?若田真来、学部4年生（当時）?原里紗が開発し、これを大強度陽子加速器施設（J-PARC）の物質?生命科学実験施設（MLF）にあるミュー粒子ビームライン（ミュオン物質生命科学実験装置?Muon D1）に設置して実証実験を行いました。結果としてビームラインに元々設置されている、粒子を一つ一つ区別する従来式の原理に基づく既存の汎用型観測装置が予想通り毎秒100万個程度から数え落としが発生するのに対し、本研究の電流読み出しの新方式では、マイクロ秒スケールの半減期を示す崩壊の観測にまず成功し、かつ毎秒1億個程度まで数え落としなく計測可能であることを実証しました。さらにその後、大学院生?赤松翔映、藤家拓大助教を中心にHラインという最も強度の高いミューオンビームが生成可能な新しいビームラインでも実証試験を行い、最大で毎秒10億個の計数も可能と評価できる結果を得ました（図1）。これらを処理するPCの動作クロック周波数自身、1ギガヘルツ（毎秒10億サイクル）程度であり、それに匹敵する計数率での計測?記録処理が可能であることは驚異的と言えます。

本研究で開発した電流読み出し方式は大強度ビームの利点を活かせる優れた性能を示しましたが、粒子を一つ一つ区別しないという原理の欠点として、二つの検出器が同時に信号を出したかどうか、という論理積（AND操作）は不可能になってしまうと予想されていました。これは論理演算を行う前提である、放射線が存在するか（真）、否か（偽）、という2値化の判定をそもそも行っていないからです。しかし本研究では記録された電流波形同士を、論理値の判定をせずにそのままアナログ情報のまま乗算をする事で、同時信号か否かの判定を行えることを示しました（図2）。

この結果は放射線計測への適用のみならず、一般のデジタル論理演算において必ずしも常識となっている2値のブール代数の論理に限定することなく、もし利点があるならば場合によっては3以上のn値のグレーな論理での論理演算という新たな手段を示唆しています。現在のデジタル回路は全て1か0かの2値ビットに基づく論理演算回路で構成され、その延長線上にコンピュータがあります。コンピュータは確定した真偽の情報に基づく厳密な計算結果を出力します。一方、量子コンピュータでは2値ビットが量子ビットとなり、その値は確定しておらず量子力学の法則に従って演算処理がなされます。これらに対しここで示唆したn進数型論理演算は、白黒のモノクロ画像ではなくグレースケールの画像のように中間的な論理値を扱う発想を生みます。アナログ演算を行う事で、計算の厳密さよりも高速化を優先するという考え方です。必ずしも技術的な新規性の高さや優位性は明確ではない可能性はありますが、真偽の2値ではない論理演算という、古典コンピュータ、量子コンピュータには分類されない、第3のコンピュータという発想はそれ自身考察を深化させる価値のある興味深いものです。また論理演算方式だけでなく、情報処理の高速化、大容量化にも既存の動作周波数の高速化、情報処理のバスの高密度化に次ぐ、n進数方向への論理値の拡張という別の方法も示唆していると言えます（図3）。

• タイトル：Current-Readout Technique for Ultra-High-Rate Experiments
  
• 著者：Maki Wakata, Shoei Akamatsu, Takuhiro Fujiie, Taisei Furuyama, Lisa Hara, Yumi Ishikawa, Tadashi Ito, Takahiro Kikuchi, Tsutomu Mibe, Sachi Ozaki, Mitsuhiko Yokomizo, and Jiro Murata（著者所属：立教大学理学部、高エネルギー加速器研究機構）
  
• 誌名：Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2025, 023H01
  
• URL：https://doi.org/10.1093/ptep/ptaf010