衝突型加速器

衝突型加速器は、 2 つの反対方向の粒子ビームを近づけて粒子を衝突させるタイプの粒子加速器です。^{[ 1 ]}移動する粒子が静止した物質ターゲットに衝突する他の粒子加速器と比較して、衝突型加速器はより高い衝突エネルギーを達成できます。衝突型加速器は、リング型加速器または線形加速器のいずれかです。

粒子物理学において、粒子を非常に高い運動エネルギーまで加速し、他の粒子と衝突させることで、衝突実験装置が研究ツールとして用いられます。これらの衝突によって生じる副産物を分析することで、科学者は素粒子世界の構造やそれを支配する自然法則に関する確かな証拠を得ることができます。これらの法則は、高エネルギーかつ極めて短い時間でしか明らかにならないため、他の方法では研究が困難、あるいは不可能な場合があります。

素粒子物理学では、素粒子を非常に高い運動エネルギーまで加速し、他の粒子と衝突させることで、素粒子に関する知識を得ます。十分なエネルギーに達すると、粒子が別の粒子に変化する反応が起こります。これらの生成物を検出することで、関連する物理現象についての洞察が得られます。

このような実験を行うには、2つの可能な設定方法があります。

• 固定ターゲット設定：粒子ビーム（発射体）を粒子加速器で加速し、衝突相手として、ビームの経路上に静止したターゲットを配置する。
• 衝突型加速器：2つの粒子ビームを加速し、互いに反対方向に向けることで、粒子が反対方向に飛行しながら衝突するようにする。

衝突型加速器の設置はより困難ですが、特殊相対性理論によれば、一定の速度で接近する2つの粒子間の非弾性衝突のエネルギーは、1つの粒子が静止している場合（非相対論的物理学の場合）の4倍になるだけでなく、衝突速度が光速に近い場合は桁違いに高くなる可能性があるという大きな利点があります。

衝突点が実験室系で静止している衝突装置の場合（つまり${\displaystyle {\vec {p}}_{1}=-{\vec {p}}_{2}}$質量エネルギーの中心${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }}$（衝突で新しい粒子を生成するために利用できるエネルギー）は単純に${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}}$、 どこ${\displaystyle E_{1}}$そして${\displaystyle E_{2}}$は各ビームからの粒子の全エネルギーです。粒子2が静止している固定ターゲット実験の場合、${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }^{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2m_{2}E_{1}}$[ ^{2 ]​}

衝突型加速器に関する最初の本格的な提案は、中西部大学研究協会（MURA）のグループから始まった。このグループは、2 つの接線ラジアルセクターFFAG 加速器リングを構築することを提案した。^{[ 3 ]}最初の論文の著者の 1 つですが、大川 智弘は、単一の磁石リング内で 2 つの逆回転粒子ビームを加速できるラジアルセクター FFAG 加速器の設計を開発しました。^{[ 4 ] [ 5 ]} MURA グループによって構築された 3 番目の FFAG プロトタイプは、この概念の実現可能性を実証するために 1961 年に構築された 50  MeV 電子マシンでした。

ジェラード・K・オニールは、単一の加速器を使用して粒子を一対の接線蓄積リングに注入することを提案した。元のMURAの提案と同様に、衝突は接線部で発生する。蓄積リングの利点は、注入加速器がはるかに低いフラックスを達成する場合でも、蓄積リングが高いビームフラックスを蓄積できることである。^{[ 6 ]}

最初の電子・陽電子衝突型加速器は、1950年代後半から1960年代初頭にかけて、イタリアのローマ近郊フラスカーティにある国立核物理研究所でオーストリア系イタリア人の物理学者ブルーノ・トゥシェクによって、また米国ではウィリアム・C・バーバー、バーナード・ギッテルマン、ジェリー・オニール、バートン・リヒターを含むスタンフォード大学とプリンストン大学のチームによって建設された。ほぼ同時期に、VEP-1電子・電子衝突型加速器が、ソ連のノボシビルスクにある核物理研究所でゲルシュ・ブドカーの監督の下で独自に開発・建設された。衝突ビームにおける粒子反応の最初の観測結果は、1964年半ばから1965年初頭にかけて、3つのチームによってほぼ同時に報告された。^{[ 7 ]}

1966年、CERNで交差蓄積リングの建設が始まり、1971年にはこの衝突型加速器が稼働した。^{[ 8 ]} ISRは、CERN陽子シンクロトロンから注入された陽子を蓄積して衝突させる一対の蓄積リングであった。これは最初のハドロン衝突型加速器であり、それまでの試みはすべて電子、あるいは電子と陽電子を対象としていた。

1968年、フェルミラボで最高エネルギーの陽子加速器複合施設の建設が始まった。それは後にテバトロン衝突型加速器にアップグレードされ、1985年10月には重心系エネルギー1.6 TeVで最初の陽子-反陽子衝突が記録され、当時世界最高エネルギーの衝突型加速器となった。その後、エネルギーは1.96 TeVに達し、2011年の運転終了時には、衝突型加速器のルミノシティは当初の設計目標の430倍を超えた。^{[ 9 ]}

2009年以来、世界で最も高エネルギーの衝突型加速器はCERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）である。現在、陽子-陽子衝突で13 TeVの重心系エネルギーで稼働している。円形および直線型、ハドロン（陽子-陽子またはイオン-イオン）、レプトン（電子-陽電子またはミューオン-ミューオン）、または電子とイオン/陽子の衝突など、さまざまなタイプの10以上の将来の粒子衝突型加速器プロジェクトが、ヒッグス/電弱物理学の詳細な探究とLHC後のエネルギーフロンティアでの発見のために現在検討されている。^{[ 10 ]}

出典：情報はParticle Data Groupのウェブサイトから取得した。^{[ 11 ]}

• LHC - 大型ハドロン衝突型加速器のウェブサイト
• 相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）