宇宙への理解を変える可能性がある研究に、AMDの技術が貢献
2023-03-10更新
コーネル大学物理学部の教授であるローレンス・ギボンズ博士は、中学生の初めにはブラックホールについて読むなど、幼い頃から科学に興味を抱いていました。「物理現象に興味があり、それを追求するようになった」彼は大学に進学しても科学に携わっていました。
そして、シカゴ大学の大学在学中、ギボンズは素粒子物理学に携わっていたとある教授から大きな影響を受けます。教授は「CP対称性の破れ」として知られる現象の一面を探求していました。これは、CPのPを意味する「パリティ」と物質の電荷共役を鏡に映した宇宙と物理宇宙を比較し、その宇宙と我々の宇宙を区別できる測定値を探す研究分野です。
「実験室での実験では、一貫して等量の物質と反物質が生成されます。したがって、ビッグバンでは等量の物質と反物質が生成されたはずです。しかし、我々は物質がより多く支配する宇宙に住んでいます」とギボンズは説明します。なぜ物質と反物質に差が起きるのか。この現象の理由を理解し、説明しようとすることが、ギボンズの仕事の中心となっているのです。
1967年、ソ連の核物理学者アンドレイ・サハロフは、ビッグバン当時のある条件（CP対称性の破れなど）を提唱する論文を発表し、その結果、宇宙は反物質よりも物質がわずかに優勢になった可能性があると指摘しました。
「なぜ非対称性が生まれるのか。この疑問は私を魅了し、素粒子物理学に夢中にさせました」とギボンズは説明します。
「私は、弱い相互作用の構造全般と、CP対称性の破れがどのように組み合わされているのかについて、より深く理解することにキャリアを費やしてきました。実験室で得られる違反のレベルは、私たちが物質支配の宇宙を持つ理由を説明するのに十分な説得力をもたらすものではないことが判明しています」
磁気モーメントを測定する
コーネル大学のギボンズと彼のチームが取り組んでいるプロジェクトは、電子または「ミュー粒子」（電子に似ているが200倍重い、上層大気中で形成される粒子）の「磁気モーメント」を計算する長年にわたる一連の実験の一部です。
「電子とミュー粒子は荷電しており、小さな棒磁石の挙動に似た内部スピンで運動量を持っています。私たちの目標は、そのバーマグネットの強さを決定することです。」とギボンズは述べます。
ギボンズは、レーダー技術が出現したとき、一群の精密実験が技術的に実現可能になったと述べています。 電子の磁気モーメントを測定する実験が行えるようになったのです。そして、この研究は、ジュリアン・シュウィンガーの場の量子論の発明につながりました。これは、今日、私たちが粒子の相互作用を基本的なレベルで説明するために使っているものです。
「今起きていることは、純粋に量子力学的な効果なのです」とギボンズは言う。「ミュー粒子は、一瞬だけ、光子のような粒子を放出したり再吸収したり、荷電粒子のループを持ち、瞬きしたり消えたりすることができます。 このプロセス全体が磁場を少しシフトさせるのですが、そのシフトの大きさを測定する実験が複数回行われています。」
ギボンズによると、2000年頃にブルックヘブン国立研究所が、ミュー粒子の磁気モーメントのずれを、10億分の2から約500分の1まで測定したそうです。そして、ブルックヘブンの結果と理論的な予測との間に大きな食い違いがあることが示唆されました。
「もしあなたが、最終的にミュー粒子の電荷にカップリングバックすることができる新しい種類の粒子があると想像できるならば、それらは、実際に、私たちが見ている方向に物事をシフトすることが想像できます。私たちは、ブルックヘブンの結果が正しいかどうかを知ることに大きな関心を持ちました。また、精度を大幅に向上させ、理論との比較をより細かくできるようにしたいと思いました。それが私たちの出発点でした」とギボンズは言います。「現在、私たちはブルックヘブンが行った結果の4倍以上の精度を目指しています。その過程で、理論の仲間たちの世界的な努力に拍車がかかったのです。」
現在、150人以上の研究者と100人以上の理論家がこのプロジェクトに参加しています。
コーネル大学が協力するフェルミ研のミュー粒子g-2実験は、AMD社のFPGAを使用しており、ミュー粒子の「磁気モーメント」を測定しようとする研究の最新作で、宇宙に対する理解を変えるのに役立つと考えられています (写真：Reidar Hahn, Fermilab)
アハ！の瞬間
コーネル大学の素粒子研究は、米国エネルギー省が運営するフェルミ国立加速器研究所で行われ、ミュー粒子の磁場の強さを測定することを目的としています。このプロジェクトには、7カ国35機関から191名の協力者が参加しています。
昨年春、このチームの研究成果が、先にブルックヘブンで行われた研究の結果を、それまで観測されていたのと同じレベルの精度で確認し、科学界を震撼させました。「この発見は、私たちが知っている粒子を考えると、磁場が理論で言われているよりも少し強いことを教えてくれているので重要です。統計的に有意な効果があるかどうかについては、まだ審査が終わっていませんが。」とギボンズは言います。
ギボンズは、今年の終わり頃に、チームは、以前の調査結果の4倍以上のデータと、より高い精度に基づく、次の結果を発表するはずだと言いました。最終的な結果は、2、3年後に出る予定です。
「もし、最終的な精度を上げて、理論的な予測に反していることを証明できれば、これまで全く気付かなかった新しい種類の基本的な力（重力や電磁気などの既知の力を超える）が存在し、それに関連する粒子（暗黒物質）が存在するという決定的な証拠を得たことになります。これは、宇宙や物理法則に対する我々の理解を根本的に変える可能性があります。」
ギボンズは、テスト結果が明らかになるまでの瞬間は、緊張の連続だったという。
「偏りを避けるため、実験に参加していない人にクロック周波数を少し変えてもらい、それを密封した封筒に記録しました。私たちは、実験を行ったプレースホルダー周波数を使って、デジタイザーですべての計算と分析を行いました。私たちの結果がどのようなものになるかを知るために、真の周波数値を持つ人にその値を教えてもらったのは、みんなが100％発表することを約束してからです。私たちは、昔の測定値や理論的な予測値の範囲に収まるのか、それとも地図から大きく外れたところに収まるのか、まったく分かりませんでした。確かな結果が出たという自信はありましたが、それがどこに着地するかは未知数でした。本当の周波数の値が入力されるまでの数秒間は、緊張の連続でした。結果を見て、みんなで歓声をあげました」
AMDは今回の発見にどのように貢献したのでしょうか。
「AMDのテクノロジーは、長年にわたって私たちの研究の中核を担ってきました。私たちは、多くのADC（アナログ／デジタル・コンバータ）を搭載したデジタイザーを設計していましたが、データの流れを管理するための交通整理係が必要でした。1秒間に800メガサンプルという大量のデータを移動させる必要があり、計測しているチャンネル数は約1,300チャンネルでした。ADCからデータを取り出し、非同期でデータを読み出すためのデータ・バッファリングにFPGAが必要でした。また、各ボードには、データの流れを制御し、デジタイザーに入出力されるトリガーやモニタリング情報を処理できるマスターFPGAも必要でした。AMDは、これらの要件を満たすことができたのです。」とギボンズは語ります。
現在、実験では2,000個近いAMD Kintex™ 7 FPGAが使用されており、その大半はデータ取得を制御し、その他はデータフローや外部との通信を管理するものです。Kintex 7デバイスは、小さなパッケージで高いトランシーバー数をコスト効率よく利用することができます。ギボンズは、AMD製品の長寿命と信頼性が、彼らの仕事にとって極めて重要であると強調しました。
「AMDのFPGAは、研究データを取り込むデジタイザーの心臓部です。Kintexシリーズは、コストパフォーマンスがよく、その上、多くの馬力が搭載されています。Vivado™ツールもうまく機能し、学生や私にも良いトレーニングの場を提供してくれました。AMDとの仕事はとても楽しいです。私たちは、全体的にとても良い協力関係を築いています。」
こちらの記事はAMD本社のブログ記事を機械翻訳したものです。詳しくは元記事をご覧ください。
脚注：
©2023 Advanced Micro Devices, Inc. 無断転載を禁じます。AMD、AMD Arrowロゴ、Epyc、Ryzen、Radeon、Xilinx、Zynq、およびこれらの組み合わせは、Advanced Micro Devices, Inc.の商標です。本書で使用されているその他の製品名は、識別を目的としたものであり、各社の商標である場合があります。PID #1671659. すべての性能およびコスト削減の主張は、コーネル大学のLawrence Gibbons博士によるものであり、AMDが独自に検証したものではありません。性能とコスト削減効果は、さまざまな変数によって影響を受けます。ここに記載されている結果は、Cornell Universityに特有のものであり、典型的なものではない可能性があります。GD-181。
