固定ターゲット実験

素粒子物理学における固定標的実験は、加速された粒子のビームを静止した標的に衝突させる実験である。移動するビーム（発射体とも呼ばれる）は、電子や陽子などの荷電粒子で構成され、相対論的な速度まで加速される。固定標的は、固体ブロック、液体、または気体媒体である。^{[1] [2]}これらの実験は、2本の移動する粒子ビームを加速して衝突させる衝突型実験とは異なる。1908年から1913年にかけて行われた有名なラザフォードの金箔実験は、アルファ粒子を薄い金箔に向ける最初の固定標的実験の1つであった。 ^{[1] [3] [4]}

固定ターゲット実験に必要なエネルギーは、同じエネルギーの二重ビームを使用する衝突型加速器のエネルギーに比べて 4 倍小さい。^{[5] [6]}さらに、衝突型加速器実験では 2 つのビームのエネルギーが新しい粒子の生成に利用できるのに対し、固定ターゲットの場合は、新しく生成された粒子に速度を与えるためだけに多くのエネルギーが消費される。これは明らかに、実験のエネルギー スケールを増やすという点では固定ターゲット実験は役に立たないことを意味している。^{[3] [7]}ターゲット ソースも、衝突回数が増えると摩耗するため、通常は定期的な交換が必要になる。現在の固定ターゲット実験では、非常に耐久性の高い材料を使用するように努めているが、損傷を完全に回避することはできない。^[8]

固定ターゲット実験は、より高いルミノシティ（相互作用率）を必要とする実験にとって大きな利点がある。^{[5] [9]} CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の次期アップグレード版である高ルミノシティ大型ハドロン衝突型加速器は、稼働中に約の積分ルミノシティを達成する予定である。 ^[10]ルミノシティスケールは約にすでに近づいているが、フェルミ国立加速器研究所のレオン・レーダーマンが主導するE288などの古い固定ターゲット実験では、すでに実現されている。^{[3] [11]}固定ターゲット実験のもう一つの利点は、衝突型加速器に比べて建設が容易で安価であることだ。^[5]${\displaystyle \mathrm {5\times 10^{35}cm^{-2}s^{-1}} }$${\displaystyle \mathrm {5\times 10^{34}cm^{-2}s^{-1}} }$

原子の質量と正電荷が小さな原子核に集中していることの発見につながったラザフォードの金箔実験は、おそらく最初の固定標的実験だった。20世紀後半には、CERNのスーパープロトンシンクロトロン（SPS）やフェルミ国立加速器研究所の テバトロンなどの素粒子・原子核物理学施設が登場し、多くの固定標的実験が新しい発見につながった。テバトロンでは、1983年から2000年までの稼働期間中に43件の固定標的実験が実施された。^[12] SPSからの陽子ビームやその他のビームは、 NA61 / SHINEやCOMPASSコラボレーションなどの固定標的実験で現在も使用されている。LHCの固定標的施設であるAFTER@LHCも計画されている。^{[13] [14]}

固定ターゲット実験は主に、稀少過程、高ビョルケンxでのダイナミクス、回折物理学、スピン相関、および多数の核現象の集中的な研究のために実施されます。^{[13] [14]}

フェルミ国立加速器研究所のテバトロン施設での実験は、量子色力学理論の理論的予測の検証、陽子、中性子、中間子の構造の研究、チャームやボトムなどの重いクォークの研究など、幅広い物理領域をカバーしていました。いくつかの実験ではCP対称性のテストが行​​われました。いくつかの共同研究は、固定ターゲットセットアップで生成されたハイペロンとニュートリノも研究しました。 ^{[12] [15]}

SPSのNA61/SHINEは、強く相互作用する物質の相転移と閉じ込めの開始に関連する物理学を研究しています。^[16] COMPASS実験はハドロンの構造を調査します。^[17]

AFTER@LHCは、固定ターゲット施設を使用して陽子と中性子内のグルーオンとクォークの分布を研究することを目的としています。 ^[13] WボソンとZボソンを観測する可能性もあります。^[18]ドレル-ヤン対生成とクォーコニウムの観測と研究も検討されています。^[14]

したがって、固定ターゲット実験で極端で珍しい物理学を探索するために利用できるオプションの数は無数にあります。

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