粒子をシミュレーションで捉える

高エネルギーの素粒子実験では、自然界に存在する粒子や加速器で作られたさまざまな粒子の性質を調べる研究をしています。実験の目的に応じて、いろんな種類の検出器を組み合わせて測定器を作るのですが、実験をする前に、目的に応じた測定器を適切に設計、製作することは、実験成功のための大切な鍵になります。

いろんな種類の検出器を組み合わせたときに素粒子がその中でどのように振舞うかを調べるために、コンピューターを使って計算で細部を再現するシミュレーションプログラムが使われています。測定器の中を走る素粒子の振る舞いを捉まえるので、このようなプログラムのことは「測定器シミュレーション」と呼ばれます。

高エネルギー実験の分野で伝統的に使われてきたプログラムにGEANT3があります。これはヨーロッパのCERN研究所で20年近く前から開発され、世界中で広く利用されてきました。GEANT3はFORTRANというプログラミング言語で作られていますが、近年、実験装置が大規模になり、装置も複雑化するにしたがって、新しい機能を盛り込んだシミュレーションプログラムの開発がだんだん難しくなり、最新の情報科学分野の成果を取りこんだ新世代プログラムの開発が待望されていました。


世界初の国際共同ソフトウェア開発プロジェクト

こうした状況の中、1994年に日本とCERNの研究者が中心となってGeant4国際共同開発研究がスタートしました。1998年に最初のプログラムが提供され、世界でも初めての、各国の研究機関と実験グループの覚書による測定器シミュレーションプログラムの開発が進められています。

Geant4の開発者は世界各地に分散しています。大規模なソフトウェアが地理的に離れた場所で開発され維持されているという点では他に類を見ないプロジェクトといえます。プロジェクト開始当初から日本の研究者が重要な役割を果たしている点でも、ユニークなものです。すでに世界の高エネルギー実験グループの多くが、測定器のシミュレーションプログラムとしてGeant4を正式に採用しています。

宇宙分野や医学分野での応用も

測定器シミュレーションとは、測定器に入射する粒子を、測定器の幾何学的な配置や材質などに応じてどのような物理反応が起きるかを追跡していき、反応の起きる様子を統計的に再現するものです。

Geant4になってから、プログラムにいろいろなエネルギー領域の物理反応を組み込むことが容易にできるようになり、従来の加速器を用いた高エネルギー実験だけでなく、最近では、人工衛星や放射線医学、半導体製造などの分野での応用が注目されるようになっています。

そこで日本では、国内のGeant4ユーザーの情報交換を促進する場として、2000年春、日本Geant4ユーザ会を発足させました。KEKでは、Geant4開発者とユーザーの研究会を開催し、電子メールなども含めた活発な情報交換を行なっています。

この第3回目の研究会が3月18日と19日の二日間に渡って開催され、国内外の高エネルギー実験や宇宙観測、医療分野の多くの関係者が参加し、人工衛星に搭載する測定器のシミュレーションの成果などが発表され、盛況でした。