サマリー：

粒子物理学における最も重要な今後の進展は、CERN の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を「高輝度」バージョンにアップグレードすることであり、2030 年以降の開始が予定されています。このプロジェクトでは、衝突頻度を約 1 秒あたりの 60 回から、140 から 200 回の範囲へと大幅に増やすことを目指しており、特に高エネルギー相互作用が約 1 秒間に 4,000 万回発生する点を明確にしています。この目標を達成するための主要な要因の一つは、9 月 24 日に「IEEE Transactions on Applied Superconductivity」に掲載された論文で詳述されている、新しいニオブスズ（Nb₃Sn）超伝導四重極磁石の開発です。既存のニオブチタンコイルが 8.3 テスラまで達する一方、これらの高度な Nb₃Sn コイルははるかに強い磁场を発生させ、粒子を高エネルギーで曲げるために最高で 11.3 テスラ（12 T にわずかに及ばない）の値に達します。

2012 年以来エンジニアのスサナ・イスクエード・ベルムデスによって率いられる約 60 人のチームが、これらのコンポーネントを検証しており、9 月に行われたテストで製造プロセスが Nb₃Sn の脆さや高温での「wind-and-react（巻き込みと反応）」プロセスの必要性に直面しながらも機能することが確認されました。コイルは、760 メートルの長さのケーブルから巻かれており、単位あたりの長さは 4.5 メートルから 7.2 メートルの範囲で、アパーチャー（開口部）は 150 ミリメートルです。熱処理の間には、数日間にわたって約 650 °C の温度ピークがあり、その後は液体エポキシ樹脂で平滑化されます。製造上の課題により生産されたコイルのうち 250 個中 25 個が故障しましたが、数百の単位が成功裏に作られたことはプロジェクトの実現可能性を確認しています。稼働後は、アップグレードされた加速器は実験に対して新しいデータの流れをもたらすことになり、標準モデルを超える物理学を探求することを可能にし、将来の高エネルギー加速器への重要な先例を確立します。この話は 2026 年 11 月 10 日に更新され、衝突統計とコイルの個数を補正・確定されました。

CERN の次世代加速器「HL-LHC」向け Nb₃Sn 超伝導電磁石の開発と製造

当誌『IEEE ジャーナル・ウォッチ』独占連載、IEEE Xplore と連携のもと開催される記事です。欧州核子研究所（CERN）における大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のアップグレード作業について解説します。

HL-LHC の概要と目標

CERN では現在、超強力な電磁石を用いて粒子を光速度に極めて近い速さで衝突させ、素粒子物理学の研究を進めています。

現在の状況: 1 回の实验中に約60 個の粒子同士を、4,000 万回／秒の頻度で衝突させることが可能。
次世代目標（HL-LHC）:
- 「ハイレジンスンス LHC（HL-LHC）」と命名される新たな加速器へのアップグレードを実施中。
- 従来の比よりも多数の粒子同士を衝突させる設計となっている。
- 1 秒間に 4,000 万回の衝突のうち、140〜200 回の粒子衝突を実現することを目標とする（※注：この表現は粒子間の衝突回数増加を意味）。
目的: 稀な粒子や現象の観測確率を高めること。
必要な技術: 極めてコンパクトかつ高品質な電磁石の開発。

2024 年 9 月 24 日、『IEEE トランザクションズ・オン・アプライド・スーパコンダクティビティ』に、次世代用電磁石の製造に向けた取り組み（新たな素材と製造技術の開発）に関する論文が掲載されました。

Nb₃Sn 超伝導電磁石の開発

LHC の新規導入予定的四極電磁石では、ニオブ・チタン（NbTi）合金からニオブ・スズ（Nb₃Sn）合金への変更が行われています。

磁力強度の比較

材質	コイルタイプ	磁場強度	地球磁場の約何倍か
Niobium-Titanium (NbTi)	現在のダイポール電磁石	8.3 T	約 16 万 6,000 倍
Niobium-Tin (Nb₃Sn)	新規四極電磁石（開発中）	略して 12 T に迫る	-

NbTi コイルは到達可能な上限であり、それ以上の磁力を得るには Nb₃Sn が必須です。
Susana Izquierdo Bermúdez氏（CERN 磁石エンジニア、プロジェクトチームリーダー）は、2012 年以降に開発に従事し、初期コイル巻き取り試験、電磁気・機械設計、製造、評価試験など多岐にわたる分野で貢献しました。

製造工法：「巻き取り・反応処理法」

Nb₃Sn は延性を持たず脆いため、Coil winding（コイル巻き）後に超伝導相へ変態させる必要があります。

巻き取り: ニオブとスズからなる760 メートル長のケーブルを中心ポールに巻き付ける。
- 成形後のコイルサイズ：長さ約7.2 メートル、開口部150 ミリ。
熱処理（反応）:
- 不活性気体中で制御された高温熱処理を施す。
- 温度段階：210℃ → 400℃ → **650℃（ピーク）**に緩やかに上昇。
- プロセス時間：数日間かかる。
- 原理：ケーブル中のニオブとスズが反応し、脆性の Nb₃Sn 超伝導相を形成する。

注意: 反応完了後は極めて注意深く取り扱う必要があります。過度な変形は脆い超伝導素材に損傷を与えます。

コイルの製造プロセスと品質管理

ポリマー化処理

コイル成形後、以下のステップで剛性のある構造へ変化させます。

平滑化: 液状エポキシ樹脂でコイル全体を覆う。
充填: 内部の空隙やひび割れ、隙間を埋め尽くす。
固化: エポキシが硬化し、剛性のあるポリマー構造になる。

生産実績と不良品率

チームは計250 個のコイルを生産しましたが、そのうち一部に課題が発生しました。

生産数:
- 長さ 4.5 メートル型：120 本超（各四極電磁石に 4 つ組み込み）
- 長さ 7.2 メートル型：70 本超
不良品: 約25 個。
- 原因：人的ミスまたは製造プロセス上の課題。
- 結果：電気的・機械的特性が仕様を満たさず廃棄。
- 事例：コイルと保護部品間に挟まった金属微粒子が性能に悪影響を与えたため廃棄されたケースがある。

Susana Izquierdo Bermúdez 氏のコメント:

「たとえ些細な欠陥でもコイルの性能を損なう可能性があります。」

プロジェクトの意義

Izquierdo Bermúdez 氏はプロジェクトへの参加について以下のよう述べました。

「このプロジェクトに参加できることは大きな光栄であり、同時に重い責任です。これは大勢の人々が協力した成果です。導体および磁石の開発から製造、試験、そして最終的な統合に至るまで、国際的な大チームが長年にわたり取り組んできた結果です。この技術がこの段階に到達しているのを目撃することは、我々全員にとって誇りに思うべきことです」

注：2026 年 11 月 10 日時点で本記事を更新し、各実験における粒子衝突の総数について誤記を訂正しております。

CERNが大型ハドロン衝突型加速器の次世代マグネットを構築

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