スーパー陽子・反陽子シンクロトロン
Sp p S複合体の模式図

スーパー陽子・反陽子シンクロトロン （またはSp p S、陽子・反陽子衝突器としても知られる）は、1981年から1991年まで欧州原子核研究機構（CERN ）で稼働していた粒子加速器であった。陽子・反陽子衝突器として稼働するために、スーパー陽子シンクロトロン（SPS）は大幅な改修を受け、1ビームシンクロトロンから2ビーム衝突器に変更された。この加速器での主な実験はUA1とUA2であり、 1983年にWボソンとZボソンが発見された。カルロ・ルビアとサイモン・ファン・デル・メールは、 WボソンとZボソンの発見につながったSp p Sプロジェクトへの貢献により、 1984年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 1 ] Sp p Sで実施された他の実験はUA4、UA5、UA8である。

背景

1968年頃、シェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグ、アブドゥス・サラムが電弱理論を考案しました。この理論は電磁気学と弱い相互作用を統一し、3人はこの功績により1979年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。[ 2 ]この理論はWボソンとZボソンの存在を仮定していました。この理論は2段階を経て実験的に確立されました。最初の段階は、欧州原子核研究機構（CERN）のガルガメル共同研究によるニュートリノ散乱における中性カレントの発見で、この発見には弱い力を運ぶ中性粒子であるZボソンの存在が必要でした。ガルガメル共同研究の結果により、WボソンとZボソンの質量の計算が可能になりました。 Wボソンの質量は60～80 GeV/c 2、Zボソンの質量は75～92 GeV/c 2と予測されたが、これらのエネルギーは当時稼働していたどの加速器でも到達できないほど大きかった。 [ 3 ]電弱理論を確立する第2段階はWボソンとZボソンの発見であり、より強力な加速器の設計と建設が必要となった。

1970年代後半、CERNの主要なプロジェクトは大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）の建設だった。このような装置はWボソンとZボソンの特性を生成・測定するのに理想的だった。[ 3 ]しかし、WボソンとZボソンを見つけなければならないというプレッシャーから、CERNコミュニティはLEPの建設を待つことはできないと感じていた。新しい加速器が必要であり、その建設はLEPを犠牲にすることはできなかった。[ 4 ] 1976年にカルロ・ルビア、ピーター・マッキンタイア、デビッド・クラインは陽子加速器を改造して陽子・反陽子衝突型加速器にすることを提案した。当時、陽子加速器はフェルミ国立加速器研究所で既に稼働しており、CERN（SPS）でも建設中だった。[ 5 ]この装置は、磁場が反対方向にあるために別々の真空チャンバーを必要とする陽子・陽子衝突型加速器とは異なり、単一の真空チャンバーしか必要としなかった。陽子と反陽子は電荷が反対だがエネルギーEは同じなので、同じ磁場中を反対方向に周回することができ、質量中心エネルギーで陽子と反陽子が正面衝突する。[ 3 ]この方式は米国のフェルミ国立加速器研究所と欧州原子核研究機構（CERN）の両方で提案され、最終的にCERNのスーパープロトンシンクロトロン（SPS）に採用された。[ 3 ]s＝2E{\displaystyle {\sqrt {s}}=2E}

W ボソンと Z ボソンは主にクォーク・反クォーク消滅の結果として生成される。パートン模型では、陽子の運動量は陽子の構成要素間で共有される。つまり、陽子の運動量の一部はクォークによって運ばれ、残りはグルーオンによって運ばれる。各クォークは運動量の一部しか運ばないため、陽子をボソンの質量に等しい運動量まで加速するだけでは不十分である。したがって、推定される 60 ～ 80 GeV (W ボソン) および 75 ～ 92 GeV (Z ボソン) の間隔でボソンを生成するには、ボソン質量の約 6 倍、つまり約 500～600 GeV の質量中心エネルギーを持つ陽子・反陽子衝突型加速器が必要になる。[ 3 ] Sp p Sの設計は、を検出する必要性から決定された。 ~600 GeVでのZ生成断面積は~1,6 nbで崩壊率は~3%なので、L=2,5 · 10 29 cm −2 s −1の光度は1日あたり~1のイベント率を与えるだろう。[ 3 ]このような光度を達成するには、SPSの角運動量と運動量受容性を持ついくつかの束に分散した ~3·10 10反陽子を毎日生成できる反陽子源が必要になる。Z→e+e−{\displaystyle Z\rightarrow e^{+}e^{-}}Z→e+e−{\displaystyle Z\rightarrow e^{+}e^{-}}

歴史

SPSは当初、陽子ビームを450GeVまで加速し、固定標的実験のために加速器から取り出すための陽子用シンクロトロンとして設計されました。しかし、SPSの建設開始前から、陽子・反陽子加速器として利用するという構想が浮上していました。[ 6 ]

陽子反陽子衝突型加速器の最初の提案は、 1966年にオルセー研究所のゲルシュ・ブドカーとアレクサンダー・スクリンスキーによって、ブドカーの新しい電子冷却のアイデアに基づいてなされたと思われる。[ 7 ] 1972年にサイモン・ファン・デル・メールは確率的冷却の理論を発表し、[ 8 ]その功績により後に1984年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 9 ]この理論は1974年に欧州原子核研究機構（CERN）の交差貯蔵リングで確認された。電子冷却が陽子反陽子衝突型加速器のアイデアにつながったかもしれないが、最終的にSp p S 用の反陽子を準備するための前段加速器で使用されたのは確率的冷却であった。

一方、欧州原子核研究機構（CERN）のガルガメル実験における中性電流の発見は、カルロ・ルビアと共同研究者による陽子・反陽子衝突型加速器の提案のきっかけとなった。1978年にこの計画はCERN理事会によって承認され、最初の衝突は1981年7月に行われた。[ 6 ]最初の運転は1986年まで続き、その後大幅な改良を経て1987年から1991年まで運転が続けられた。[ 6 ]この衝突型加速器は、1987年から運転されていたフェルミ国立加速器研究所の1.5 TeV陽子・反陽子衝突型加速器との競争力がなくなったため、1991年末に閉鎖された。

手術

1981 年から 1991 年にかけて、SPS は年間の一部をシンクロトロンとして稼働し、固定ターゲット実験用の単一ビームを加速し、また一部の期間は衝突型加速器 (Sp p S) として稼働しました。

典型的なパラメータSp p S
注入運動量 [GeV/c] 26
最高運動量 [GeV/c] 315
1990年の積分光度 [nb −1 ] 6790
陽子バンチ強度 12·10 10
反陽子バンチ強度 5·10 10
ビームあたりの束の数 6
衝突点の数 3

衝突型加速器運用のためのSPSの改造

ビームが長時間循環しなければならないSp p Sのような蓄積リングの要求は、SPSのようなパルスシンクロトロンの要求よりもはるかに厳しい。 [ 10 ] 1978年にSp p Sが決定された後、SPSには以下の変更が行われた。[ 6 ]

  • 反陽子をPSからSPSに移送するために、反時計回りの注入用の新しい注入システムとともに新しいビームラインが構築されました。
  • SPSは14 GeV/cの入射用に設計されており、新しい入射は26 GeV/cとなるため、入射システムをアップグレードする必要があった。
  • SPSビーム真空システムの改良。設計真空度2·10-7 TorrはSPSには十分であった。シンクロトロンとしてビームを450 GeVまで加速し、非常に短時間で取り出すことができるからである。[ 10 ] Sp p Sの貯蔵時間は15～20時間であり、真空度をほぼ3桁向上させる必要があった。
  • 加速用高周波システムは、陽子と反陽子の同時加速を可能にするために改良が必要でした。検出器の中心で衝突が起こるように、陽子と反陽子のバンチを正確に同期させる必要がありました。
  • ビーム診断は低ビーム強度に適応する必要がありました。陽子と反陽子を独立して観測するための方向性結合器などの新しい装置が追加されました。
  • 実験のための巨大な実験エリア（ UA1およびUA2 ）の建設。実験のための場所を確保するために、ビームアボートシステムを移動する必要があった。[ 10 ]

反陽子生成

反陽子蓄積器制御室のサイモン・ファン・デル・メール、1984年

十分な数の反陽子を生成し、貯蔵することが、Sp p S建設における最大の課題の 1 つであった。反陽子の生成には、陽子シンクロトロン(PS) や反陽子蓄積装置(AA) などの既存の CERN インフラストラクチャを使用する必要があった。反陽子は、PS から運動量 26 GeV/c の強力な陽子ビームを生成ターゲットに向けることで生成された。発生した反陽子のバーストは運動量 3.5 GeV/c で、磁気的に選択されて AA に誘導され、何時間も貯蔵された。主な障害は、ターゲットから出てくる反陽子の運動量と角度の大きな分散であった。[ 11 ]ビーム寸法を縮小する方法は、シモン・ファン・デル・メールが発見した確率的冷却と呼ばれる。簡単に言えば、これは全てのビームが粒子状であり、したがって微視的レベルでは与えられた体積内の密度が統計的変動を受けるという事実に基づくフィードバックシステムである。[ 10 ] WおよびZボソンを発見するという目的は衝突型加速器の光度に一定の要求を課し、したがって実験にはSPSの角運動量許容範囲内でいくつかのバンチに毎日3·10 10反陽子を供給できる反陽子源が必要であった。 [ 6 ] AAでの反陽子の蓄積には数日かかることがあった。1986年から1988年にかけてのアップグレードにより、AAのスタッキング率が10倍に増加した。[ 10 ]反陽子コレクター（AC）と呼ばれる第2のリングがAAの周囲に建設された。

CERNの反陽子蓄積装置（AA）の概要

充填

AA で反陽子が積み重ねられた後、PSと Sp p S が充填の準備をする。まず、約 10 11 個の陽子を含む 3 つの陽子バンチが PS で 26 GeV まで加速され、Sp p Sに注入される。 [ 3 ]次に、約 10 10 個の反陽子を含む 3 つの反陽子バンチが AA から取り出され、PS に注入される。[ 3 ] PS では、反陽子バンチは陽子と反対方向に 26 GeV まで加速され、Sp p S に注入される。注入のタイミングは、加速器内でのバンチ交差が検出器 UA1 と UA2 の中心で起こるように調整された。AA から Sp p S への転送効率は約 80% であった。[ 12 ] 1981年から1986年にかけての最初の運転では、Sp p S加速器は陽子3バンチと反陽子3バンチを加速しました。アップグレードにより反陽子のスタッキング率が向上した後、衝突器に注入される陽子と反陽子の数はそれぞれ3から6に増加しました。[ 6 ]

加速度

Sp p Sに入射されると、両方のビームは315 GeVまで加速されます。その後、AAが次の充填に備えて蓄積を再開する間、15～20時間物理データ取得のため貯蔵庫に送られます。3つの陽子バンチと3つの反陽子バンチが同じ真空チャンバー内を循環するため、6つの地点で合流します。UA1とUA2は、これらの合流地点のうち2つに配置されました。実験室から離れた未使用の交差点では、静電分離器によって分離が行われました[ 6 ] 。1983年までは、磁気コイルの抵抗加熱のため、重心エネルギーは546 GeVに制限されていました。さらなる冷却装置の追加により、1984年には装置のエネルギーを630 GeVまで引き上げることができました[ 6 ]。

900 GeVでの衝突を得る

固定標的実験用の加速器として運用する場合、SPS はビームを 450 GeV まで加速し、数秒以内（LHCへの入射用バンチの加速に使用する場合は数分の 1 秒以内）にビームを取り出すことができる。しかし、衝突型加速器として運用する場合、ビームはビームラインに何時間も保持する必要があり、加速器の双極子磁石はより長時間一定の磁場を維持する必要がある。磁石の過熱を防ぐため、Sp p S はビームを 315 GeV までしか加速しない。ただし、この制限は磁石を 100 GeV と装置の最大容量である 450 GeV の間でランプ動作させることで克服できる。[ 13 ] Sp p S はビームを 450 GeV まで加速し、磁石の加熱によって制限される時間だけこのエネルギーを維持し、その後ビームを 100 GeV まで減速する。パルス運転は、磁石内の平均出力分散が315 GeVでの運転レベルを超えないように行われた。Sp p Sは1985年以降、時折パルス運転を行い、900 GeVの重心エネルギーでの衝突を実現した。[ 13 ]

調査結果と発見

1983年1月25日、 CERNでWボソンが発見されたことが発表された記者会見。右から左へ：UA1実験広報担当カルロ・ルビア氏、確率的冷却技術開発責任者サイモン・ファン・デル・メール氏、CERN所長ヘルヴィヒ・ショッパー氏、CERN研究ディレクターエルヴィン・ガバチューラー氏、UA2実験広報担当ピエール・ダリウラ氏。

Sp p S実験は1981年7月に運用を開始し、1983年1月にはUA1実験とUA2実験によるWボソンとZボソンの発見が発表されました。UA1実験の広報担当者であるカルロ・ルビア氏とサイモン・ファン・デル・メール氏は、ノーベル委員会のプレスリリースで述べられているように、「(...) 場の粒子WとZの発見につながった大規模プロジェクトへの決定的な貢献」により、1984年のノーベル物理学賞を受賞しました。[ 1 ]受賞者は、カルロ・ルビア氏の「(...) 既存の大型加速器を陽子と反陽子の貯蔵リングに転換するというアイデア」、すなわちSp p Sの構想、そしてサイモン・ファン・デル・メール氏の「(...) 現在反陽子にも適用されている陽子の高密度充填と貯蔵のための独創的な方法」、すなわち反陽子蓄積装置を可能にする技術、すなわち確率的冷却の考案でした。[ 1 ] Sp p Sの構想、建造、運用はそれ自体が偉大な技術的成果であると考えられていました。

Sp p Sの稼働開始前、この装置がそもそも動作するのか、あるいはビーム束へのビーム間効果によって高輝度運転が不可能になるのかが議論された。[ 6 ] Sp p Sは、ビーム束へのビーム間効果を制御できること、そしてハドロン衝突型加速器が素粒子物理学の実験に優れたツールであることを証明した。この点で、Sp p SはCERNの次世代ハドロン衝突型加速器LHCの基礎を築いた。[ 3 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c「プレスリリース：1984年ノーベル物理学賞」 www.nobelprize.org . 2017年7月12日閲覧。
  2. ^ 「1979年のノーベル物理学賞」Nobelprize.org、1979年10月15日。 2017年7月28日閲覧。
  3. ^ a b c d e f g h i Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015). 「WボソンとZボソンの発見」 . CERN実験と発見の60年. 高エネルギー物理学の方向性に関する先進シリーズ. 第23巻. World Scientific. pp.  137– 163. doi : 10.1142/9789814644150_0006 . ISBN 978-981-4644-14-3。
  4. ^ Darriulat, Pierre (2004年4月1日). 「W粒子とZ粒子：個人的な回想」 . CERN Courier . 2017年6月21日閲覧。
  5. ^ Rubbia, C.; McIntyre, P.; Cline, D. (1976年6月8日).既存の加速器による質量の大きい中性中間ベクトルボソンの生成. 国際ニュートリノ会議 1976. アーヘン, ドイツ.
  6. ^ a b c d e f g h i Schmidt, Rudiger (2017). 「CERN SPS陽子・反陽子衝突型加速器」. Brünibng, Oliver; Myers, Steve (編). 21世紀における加速器の課題と目標. World Scientific. pp.  153– 167. doi : 10.1142/9789814436403_0010 . ISBN 9789814436403。
  7. ^エヴァンス、リンドン（1987年11月25日）「陽子・反陽子衝突型加速器」第3回ジョン・アダムズ記念講演。ジュネーブ、欧州原子核研究機構（CERN）。
  8. ^ van der Meer, S. (1972年8月). 「ISRにおけるベータトロン振動の確率的冷却」(PDF) . 2017年7月19日閲覧。{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  9. ^ 「プレスリリース：1984年ノーベル物理学賞」Nobelprize.org、1984年10月17日。 2017年7月24日閲覧。
  10. ^ a b c d e Evans, Lyndon; Jones, Eifionydd; Koziol, Heribert (1989). 「CERN ppbar Collider」. Altarelli, G.; Di Lella, Luigi (編).陽子-反陽子衝突型加速器の物理学. 高エネルギー物理学の方向性に関する先進シリーズ. 第4巻. World Scientific Publishing.
  11. ^ Jakobs, Karl (1994). 「CERN p- p衝突型加速器におけるUA2実験の物理的結果」 . International Journal of Modern Physics A. 09 ( 17): 2903– 2977. Bibcode : 1994IJMPA...9.2903J . doi : 10.1142/S0217751X94001163 .
  12. ^ Gareyte, Jacques (1983年10月11日). SPS陽子・反陽子衝突型加速器. CERN加速器スクール：衝突ビーム施設向け反陽子. ジュネーブ、CERN: CERN. doi : 10.5170/CERN-1984-015.291 .
  13. ^ a b Lauckner, R. (1985年10月). CERN SPSコライダーのパルス運転. 第11回IEEE粒子加速器会議, パート1. バンクーバー, カナダ.

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