海外ポスドク滞在記

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1915年にアインシュタインが発表した一般相対性理論(Relative Gravity)はとても有名ですが、彼は理論の帰結の一つとして重力波の存在をも予言していました。実際1916年にその趣旨の論文が出ています。


実は割と最近(2014年頃)重力波を発見したかも(正確にはCMBのB-mode偏向をみたかも)という発表がBICHEP2実験グループからありましたが、しばらく議論された後に、発見が間違いであったことが同グループにより報告されました。一部の物理屋にとって今回のLIGOの発表もある意味で半信半疑だったところがあったんじゃないかという気もします。もちろん探索方法が全く違うので信憑性も全然違いますし、実際にLIGOが発表したイベントはとても綺麗で見ている人たちは皆、おおっ!ってなったと思います。


今回の重力波の直接検出は非常に素晴らしい成果ですが、重力波の存在確認という意味では科学的にはすでにほぼ自明でした。実際1993年に連星パルサーの発見とそれに伴う重力波の間接的な検出の功績が認められ、テイラーとハルスがノーベル賞を受賞しています。むしろ3人目の枠が空いているのはアインシュタインに敬意を表してではないかと勝手に思っています。そういう意味で考えれば今回の直接検出は「一般相対性理論を検証するための手段としての重力波天文学の可能性」が示されたという点で大きな功績なのかなあと思います。まだノーベル賞をとったわけではないですが、時間の問題でしょう。ニュートリノが発見された時にニュートリノ天文学の幕開けだと言われるようになったのと同じような感覚ですかね。


11日のLIGOの会見とほぼ同時刻にCERNでもLIGOグループのセミナーがありました。また会見直後(?)にはPRLに論文が投稿されました(PRL 116, 061102, 2016)。ざっくりいうと「アメリカのハンフォードとリヴィングストンにある2つの大きなマイケルソン干渉計をつかって重力波の探索をしてみたらブラックホール融合に起因した重力波が検出できました」という内容です。


マイケルソン干渉計といえば、僕が一番最初に思いつくのはマイケルソン・モーリーの実験です。光の速さが不変であること、言い換えれば特殊相対論(1905)の正しさを証明した実験といえるでしょう(時代の前後関係が曖昧なのですが)。エーテルという物質が光の媒体であると信じていた物理学者が多かった(?)時代背景を考慮するとアインシュタインはやっぱり別次元の人間だなと思わざるを得ません。さらには今回のLIGOのマイケルソン干渉計が一般相対性理論の正しさを証明したわけですから、彼と干渉計の世紀を越える関係は物理学の歴史の一部といえるでしょう。


マイケルソン干渉計は2つの経路の光路長の差を干渉縞の違いとしてみるもので、今回のLIGOの場合は簡単に言えば予め2つの光路長を揃えておいて、重力波による空間の歪み、すなわち光路長のズレを測れるようにしたものです。重力波はとても弱いので、測定精度を上げるための工夫が不可欠で、実際様々な工夫が随所にみられます。nu = c/lambdaなので、基本的には基線長が長ければ長いほど低い周波数領域の重力波、すなわち遠くにある中性子連星(もしくはブラックホール)にまで感度を持てることになります。しかしながら地上で基線長を伸ばすには限界があるため、低損失ミラーを用いて(ファブリペロー)共振器の中で光を何度も繰り返し往復させることで光路長を伸ばします。また光路が長くなると共振器に残った空気に光が散乱(レイリー散乱)して広がってしまう効果が大きくなってくるため、共振器内は超高真空(<1μPa)に保たれています。それ以外にも低周波数(100Hz以下)で最大の背景事象となる地面の揺れを回避・吸収するための特殊なサスペンションを導入するなどの工夫がなされてます。


物理実験では信号と区別がつかない背景事象の影響を正しく評価することが不可欠です。LIGO実験では、レーザーの波長や振幅の不均一性、残留空気や地面振動の影響、温度変化による反射板の位置ズレ、そしてフォトセンサーでのショットノイズなどの背景事象が影響すると考えられています。しかし実際には二つの干渉計(2つのサイト、ハンフォードとリヴィングストンにある干渉計)で同時観測する(実際には到達時間差7ms)ことで、背景事象の影響を小さくする、もしくは無視できるレベルにする、ことが可能です。もちろん最終的には統計学的手法を用いて観測した重力波信号の背景事象に対する有意性を評価します。


LIGOは「2つのサイトで同時観測する以外に特に何も要求しない解析(generic transient serach)」と「2つの連星もしくはブラックホールが融合する事象に焦点を置いた解析(binary coalesence search)」の2種類の解析を行ない、統計学的に有意、すなわち、> 99.9999%(5sigma)の有意性で、二つのブラックホールが融合する事象に由来する重力波の信号であるという結論を導きました。


2011年に改良が始まる前に運転されていたinitial LIGOと比べると、とくに低周波数帯(50Hz以下)では検出効率が100倍以上よくなるようです。つまり10年で1発の重力波を検出できるかもしれない検出器が1年で10発ほど検出できるように改良されたということです。実際、今回の重力波の発見は2015年9月に行ったエンジニアリングランでみつかったイベントなので、今後データを貯めればさらに多くの重力波を様々な周波数帯で検出することが可能だと思います。とくに低周波数帯(100Hz 以下)の重力波に感度があるということは、遠くの星やブラックホールの性質まで調べられるということなのでブラックホールのより詳細な研究や一般相対性理論のさらなる検証に期待ができそうです。


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# by thirtiethstreet | 2016-02-15 01:01 | 科学

優秀な実験屋とは


一昔前まで、物理屋の評価は、端的に言えば論文数引用数で決まっていたのだろうと思います。実験屋の場合、論文数は実際に行った実験の数に比例したはずですし、引用数はその論文の価値を決める大きな指標になったでしょう。とてもフェアな評価方法だったと思います。おそらく理論屋の場合は今でも似たようなものでしょうか。最も物理に限った話ではないでしょう。だからこそ今でも多くの分野でインタビューの前にPublication Listの提出が求められます。


しかし高エネルギー物理実験の分野において、それらの価値はどんどん薄れてきています。実験の高度・大規模化のためです。高度・大規模化に伴って1つの実験に膨大な予算、人的資源、そして時間が必要となってきています。当然こうなると1人の人が実験の最初から最後まですべてを遂行することは時間的にも量的にも不可能となり、各人の実験に対する貢献度を測るのにPublication Listはなんの役にも立ちません。


高度・大規模化の最たる例がLHCです。LHCの具体的な設計が90年代後半から始まり、本格的な実験開始が2010年だということを考えると実験開始までにすでに約15年もの歳月が経っていることになります。設計開始時、今の学生はまだ小学生です。当然LHCの構想段階から参加することは不可能です。それからATLAS実験には約3000人もの研究者がいます。結果、論文本編よりもオーサーリストの方が長くなったりします。(みんなうっかりオーサーリストまで印刷しないように注意してます。)さらには実際に自分が直接関わっていない解析の論文のオーサーになるという不思議なことまで起こってしまいます。それからLHC建設の予算は当時約6000億円でした。ビルゲイツ級な人でないと自分のポケットマネーで賄うのは無理です。


ではこの分野の研究者は何を基準に評価されるのか。


少し曖昧な答えになりますが、総合的にみて評価が決まります。ATLASという組織は一つの(大きな)会社と同じです。科学者としての純粋な才だけで評価を得る事は難しいでしょう。圧倒的に秀でた能力があれば別ですが、一般的には様々な能力(発想力、忍耐力、コミュニケーション能力、コンピューティングのスキル、物理や検出器の基礎知識・経験など)、つまりバランス力が求められます。このうちの一つでも欠いてしまうと事がうまく立ち回らないでしょう。加えてリーダーシップ力も組織の中では欠かせない能力だと思います。大きい組織は小さい組織の集合体です。誰にでもリーダーシップをとらなければいけない状況が訪れます。


今日はこれらに加えてもう1つの重要な能力をあげたい思います。


``自己プレゼンテーション能力”


です。日本人が最も苦手としているものの一つですね。特にアメリカで生き残っていこうと考えている実験屋には必要不可欠だと思います。日本の高エネルギー実験の分野で必ずしもあてはまるとは思いませんが。

最近、とある公募のショートリストに残った6人の候補者のプレゼンテーションを比較する機会がありました。多くの候補者は緊張のためか自信がないようにみえました。発表自体は上手だと思うし、頭もいいと思うのですが、なんか頼りない感じというか。まあなんというか決定打に欠けるんですね。ショートリストに残るような人は皆それなりのバランス力とリーダーシップ力があるわけです。これらは簡単な会話とCVからだいたいわかります。敢えて言うならば6人中2人くらいは少し劣る感じで、残り4人の力はかなり拮抗していました。


ではどうやって残りの候補者たちとの差をつけるか。


実際に明らかに有能な人が1人いました。

1、全身からみなぎる自信、

2、まるで一緒に実験をしているように面白さが伝わってくる感じ、人を引き込む力、

3、実験が思うように進まないときにスパっと方向転換できる潔さ、

本当に素晴らしいプレゼンテーションでした。随所に知性を感じました。丁寧な説明と完璧な質疑応答だけがプレゼンテーションじゃないんです。限られた時間で如何に自分を魅せるかです。それがプレゼンテーションなんだと教えてもらった気がします。正直、(一緒に昼食にいって話した感じからしても)性格的にあまり好きなタイプではありませんが、この人がナンバーワンだと思いました。実際に誰をとるかを決めるのは僕ではないですし、採用する側にも様々な事情があるので、実際にこの候補が選ばれるかどうかは不明ですが、少なくとも人事がこの人を上位候補にしたというのを小耳にはさみました。まあ、たとえここで落ちても引く手数多でしょう。


職探しに関係なく、自分を魅せるということは日頃からもっと意識していきたいなと感じた瞬間でした。



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# by thirtiethstreet | 2015-05-22 16:38 | 海外生活

素粒子の単位系

さて単位系のお話です。

普段、”単位系”を意識している人はあまりいないかもしれないですが場所が変わると変わる事があります。

たとえばアメリカ。アメリカに旅行なり住んだりで行ったことのある人は経験があると思いますが、彼らは”アメリカの単位系”をもっています。実は慣れるのに結構な時間を要します。たとえば、温度は華氏です。夏は100度(華氏)になります。想像つきますか?慣れるまでは、毎回計算しました。

"(摂氏)= ( (華氏) - 32 )× 0.555"

100度というのはだいたい摂氏で38度くらいです。試しにアメリカ人の友人に体重や身長を(失礼でなければ)聞いてみてください、慣れてない人にはかなり厳しい答えが返って来ます。008.gif

実は日本だってメートル法を正式に義務づけたのは1950年代に入ってからです。世界で最も広く使われているのはいわゆるMKSA(メートル、キログラム、秒、アンペア)単位系といわれているもので、全てのものはこれら4つの基本単位で表す事ができます。ですが、単位系は自分たちに便利なように(混乱の起きない範囲で)自由に選べばいいんです。

では素粒子現象を考えるときに便利なのはどんな単位なのか。素粒子は定義上、”物質を構成する最も基本的な粒子”なので、メートルやキログラムを基本単位としては不便でしょうがないわけです。素粒子で一番良く使われているのは自然単位系です。自然単位系では、ħ (エイチバー)と光速 c を基本単位とします。ħは量子力学で登場する基本単位です。ここでは詳しくは説明しませんが、アインシュタインの光量子仮説や黒体放射ででてくるプランク定数hを2πで割ったものです。ハイゼンベルグの不確定性原理によれば、エネルギーと時間(または運動量と位置)は、ħ/2よりも正確には同時に測定ができません。そういう意味で量子力学では重要な基本単位となっています。またそのうち気が向いたら黒体放射や光量子仮説について説明します。

早速MKS(A)から自然単位系への書き換えをしてみます。ここで単位の書き方が一通りに決まるようにするため、便宜上エネルギーEを導入します(3変数から3変数へ)。さてMKS(A)ではエネルギーEの単位はE: kg・m^2・s^-2(= J ),  ħ: J・s,  c: m/s なので、

長さ: m -> ħc/E,
重さ: kg -> E/c^2,
時間: s -> <ħ/E,

実際にはこれをさらに簡単にするため素粒子屋は、ħ= c = 1 を使います。(Eまで1にしてしまうと単位がなくなってなんの話なのかわからなくなってしまう。。)すると、

長さ: m -> 1/E,
重さ: kg -> E,
時間: s -> 1/E,

となります。随分と簡単になりました。エネルギーEしか出て来てないです。実際、粒子の重さ(質量)も運動量もエネルギーも全部同じ単位(本当は次元は違うけど)になってるんですね。実際、素粒子屋同士の会話の中ではエネルギーの単位ばかり登場します。もちろん検出器の話はMKSA単位系でします、検出器は素粒子と違って小さくないので。

素粒子現象を表すのに最適なエネルギーの単位としてJ(ジュール)ではなくeV(エレクトロンボルト)というものを使います。”1つの(自由)電子を1Vの電圧で加速したときに得られるエネルギー”が1eVの定義です。JをeVに書き換えると、

1 [eV] ~ 1.60× 10^-19 [J]

となります。めちゃくちゃ小さいですね。いや、電子がそれだけ小さいという方が正しいかもしれません。余談ですがジュールは水1gが1度あがるのに必要な熱量です。僕らは自然単位系からMKS(A)への書き換えの式を覚えろとよく言われます。

ħ~ 1.00× 10^-34 [Js] ~ 4.14× 10^-15 [eV・s]
c ~ 3.00× 10^8 [m/s]
ħc ~ 197 [MeV・fm]

となります。このMeVというのはメガエレクトロンボルトで10^6eVです。それからfmはフェムトメートルで10^-15mです。先程、ħc を1にするという話をしましたが、MKS(A)に戻すときは次元を考えながら適宜、ħc を戻してやらないといけません。

例として水素原子の大きさとその中にいる陽子の大きさを考えてみます。
基底状態の水素原子の大きさ(ボーア半径)は a0 = 1/meα, 陽子の大きさはr = 1/mpと表されます。αは微細構造定数という無次元量で値は~1/137で、me= 511keV, mp= 937MeVなので、 ħc ~ 197 [MeV・fm]を使うと、

a0 = 1/meα =197[MeV・fm]/511keV × 137 = 0.53×10^-10 m
r = 1/mp =197[MeV・fm]/938MeV = 0.21×10^-15 m

実は陽子とその周り(?)にいる電子はこんなにも離れています。教科書などに描かれている絵のイメージとあまりにもかけ離れてます。まあページの都合上しょうがないけど。感覚としては野球場を水素原子だと思うと、陽子の大きさはマウンドに置いたグリンピース033.gif !?よりも小さいくらいです。

なかなか相対論の話の続きにいけないですが、脱線もまあ楽しいし、よしということで。


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# by thirtiethstreet | 2015-05-17 07:42 | 科学

Back to the Future

フランスビザの申請へいってきました。

フィラデルフィアには大使館や領事館がないので、amtrakという特急電車で2時間かけてワシントンDCまでいってきました。amtrakといえば、つい数日前7人もの死者を出す脱線事故をやらかしているので乗る方は少し緊張します。特急列車といっても日本の新幹線みたいに先端がとがってるわけではなく、どう見ても日本の鈍行列車と同じ形。これで100キロ、150キロ出すから危ないんですね、実際何キロでてるのかは知りませんが。それから形だけでなく重心も日本の新幹線よりだいぶ高いような。兎に角ほんと鈍行列車のような感じなんです。まあ、事故の後は会社の方も基本的には慎重になってくれてる(?)はずなので大丈夫だろう、と期待しながら乗ってきました。ただ事故の直後とあって本数が少なく、予約していた電車はキャンセルになり、急遽朝4:40発の電車に乗りました。眠かった。。

平日朝のワシントンDCはサラリーマンでごった返していました。こりゃあ、バスは予定通りの時間につかないかなと思い、天気もいいので思い切って自転車をレンタルして走り回ってきました。ワシントンDCのユニオン駅から大使館までバスで45分の距離ですが自転車で1時間ちょっとでした。途中ジョージタウン大学立ち寄ってきました。Hidden Ivies(?)の一つになっている名門大学です。ちょうど先月、安倍首相がアメリカに表敬訪問した際に日本から500万ドルの拠出をすることが決まった大学でもあります。ちょうど今は卒業式のシーズンでガウンきて写真撮影している学生がたくさんいました。

フランス大使館の中は相変わらずお堅い雰囲気。1時間以上控え室で待たされ(予約した時間は実はあんまり関係ない?雰囲気)手続き開始。せっかくなので必要だった書類をまとめておきます。


- パスポート、パスポートのコピー
- アメリカの住居を証明できる書類のコピー(光熱費のビル、state ID、または免許など)
- 長期滞在者用ビザ申請書
- 個人証明写真(なぜかサイズの指定がないので自由?でも口が閉じてないと駄目)
- 受け入れ協定書のコピー(僕の場合はCERNの用意したinvitation letter)

*****以下必要に応じて******

- アメリカ滞在ビザのコピー、DS-2019のコピー、グリーンカードのコピー
- 婚姻証明書のコピー
- 子供の出生証明書のコピー

*******************

まあ、こんな感じでした。実はビザの種類によるのでこの書類で間違いないということはいえないですが、CERNの場合はこれだけでOKだと思います。なんと嬉しいことに申請手数料はタダでした。003.gif003.gif003.gif

ビザ申請の待合室が小さいので他の手続きの人の声が丸聞こえなのですが、短期留学のためなどで行く場合は、いつ行っていつ帰るのか、また滞在中の保険や財政状況等についてしつこく聞かれるので注意が必要です。しかも申請料金もかかります。

とにかくCERNは例外なんですね。実際にフランスとスイスの国境にあるので、まあなんというか特別区みたいなものなんですね。フランスのお役所が適当なことはできないっていう感じというか。余談ですが、本気をだせば、(つまり人とお金が集まれば)チームCERNとしてワールドカップ予選にだってエントリーできるんだとか。まあとにかく完全に別の国扱いということです。アメリカ人はスイスビザかフランスビザかを選ばないと行けないようですが、日本人はビザなくして現地でスイスカードの申請が可能です。少し得した気分になれます。

最後に今日撮った写真など。この車わかりますか?そう、これをタイトルにしてみたのですが、映画、Back to the Futureで登場した車です。なぜかワシントンDCのアメリカンヒストリカルミュージアム(?)の前に飾られてました。

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# by thirtiethstreet | 2015-05-15 07:43 | 海外生活

オフィスメイト

フィラデルフィアに来て初めての夏が近づいてきてます。暑いです、もうすでに気温は30℃近くまであがってます058.gif 今のところ冷房は使わずに粘ってます、今から使うと夏場がさらに苦しいので。。026.gif

さて今日はオフィスメイトの話。

こちらに来た当初は友達は当然いないし、自分以外のポスドクはみんなスイス常駐で、年が近そうな学生もほとんどいませんでした。なにしろ多くの学生は授業が終わるとスイス常駐になるんで、ぴちぴちの学生ばかり。同じ部屋には学部生までいて、馴染むのに時間がかかりそうな空気ががんがんに漂っていました。

そんな中、オフィスメイトのR君の存在は僕にとって非常に重要でした。彼は卒業が近い学生なので年も近く何かと頼れる存在で、いつも相談にのってくれます。彼はとにかく酒好きで平日休日関係なくバーに通い詰めるというとても頼もしい男です。フィラデルフィアのあちこちのバーに行きましたが彼はほとんどのバーのマスターとかなり親しい関係なんです、なぜ!?おかげでいつもどこのバーにいっても帰り際にショットのサービスがあります。彼のおかげでアメリカ生活が充実しているといっても過言ではないかもしれません。やっぱ、飲みュニケーションはどこでも大事ですよね。

そんな彼も来月末に卒業します。卒業するのは喜ばしいことだけど、いなくなってしまうのは正直悲しいです。限りある時間を大事に、これからも一緒にバーに通い詰めたいと思います。



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# by thirtiethstreet | 2015-05-14 18:15 | 海外生活

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