トーマス・ジェファーソン国立加速器施設

トーマス・ジェファーソン国立加速器施設

モットー	物質の性質を探る
設立	1984年; 40年前 （1984年）
研究の種類	原子核物理学
予算	c. 2億米ドル（2010年）
監督	キンバリー・ソーヤー
スタッフ	675
位置	ニューポートニューズ、バージニア州、アメリカ合衆国
キャンパス	214エーカー（87ヘクタール）
運営機関	ジェファーソンサイエンスアソシエイツLLC
Webサイト	詳しくはこちら

連続電子ビーム加速装置（CEBAF）

12 GeV エネルギーアップグレード後の加速器と実験ホールの概略図。
一般的なプロパティ
アクセラレータタイプ	ペア線形加速器
ビームタイプ	電子
ターゲットタイプ	固定ターゲット
梁の特性
最大エネルギー	12GeV
最大電流	85µA
物理的特性
長さ	リニアック1基あたり1400メートル（7/8マイル）
座標	北緯37°05′41″ 西経76°28′54″ / 北緯37.09472° 西経76.48167° / 37.09472; -76.48167
機関	ジェファーソンサイエンスアソシエイツLLC
運行日	1984年～現在

トーマス・ジェファーソン国立加速器施設（TJNAF）は、ジェファーソン研究所またはJLabとも呼ばれ、バージニア州ニューポートニューズにある米国エネルギー省の国立研究所です。^[1]

2006年6月1日以降、サウスイースタン大学研究協会とPAEアプライドテクノロジーズによって設立された有限責任会社、ジェファーソンサイエンスアソシエイツLLCによって運営されています  。2021年以降、ジェファーソンサイエンスアソシエイツはサウスイースタン大学研究協会の完全子会社となっています。1996年まで、TJNAFは連続電子ビーム加速器施設（CEBAF）として知られていました。一般的に、この名前は現在でもメインの加速器に使用されています。1984年に設立されたジェファーソンラボは750人以上の従業員を雇用しており、世界中の2,000人以上の科学者がこの施設を使用して研究を行っています。^[2]

この施設は、1984年に（最初の初期資金はエネルギー省が提供）、南東大学研究協会によって連続電子ビーム加速器施設（CEBAF）として設立されました。1996年にトーマス・ジェファーソン国立加速器施設に名前が変更されました。建設のための完全な資金は1986年に米国議会によって割り当てられ、1987年2月13日に主要コンポーネントであるCEBAF加速器の建設が開始されました。最初のビームは1994年7月1日に実験エリアに届けられました。ビームの設計エネルギー4GeVは、1995年に達成されました。研究所の開所式は1996年5月24日に行われました（このイベントで名前も変更されました）。3つの初期実験エリアすべてが設計エネルギーでオンラインになった完全な初期運用は、1998年6月19日に達成されました。 2001年、12 GeV電子ビームへのエネルギーアップグレードと4番目の実験ホールエリアの建設計画が開始されました。この計画は2000年代にさまざまなDOEの重要な決定段階を経て進み、2008年にDOEの最終承認が得られ、2009年に12 GeVアップグレードの建設が開始されました。2012年5月18日、元の6 GeV CEBAF加速器は、12 GeVアップグレード用の加速器コンポーネントの交換のために停止しました。元のCEBAFで178の実験が完了しました。^{[3] [4]}

加速器に加えて、この研究室には自由電子レーザー(FEL) 装置が設置されており、現在も設置されています。FEL の建設は 1996 年 6 月 11 日に開始され、1998 年 6 月 17 日に初点灯しました。それ以来、FEL は何度もアップグレードされ、その出力と機能が大幅に向上しています。

ジェファーソン研究所は、オークリッジの核破砕中性子源(SNS) とそのアップグレード、およびブルックヘブン国立研究所の電子イオン衝突型加速器の建設にも携わっています。ジェファーソン研究所は、国立研究所複合施設周辺の DOE 加速器用の超伝導加速器とヘリウム冷却システムを構築しています。

この研究所の主な研究施設は CEBAF 加速器で、偏極電子源とインジェクター、および長さ 1400 m (7/8 マイル) の超伝導 RF 線形加速器のペアで構成され、ステアリング磁石を含む 2 つのアークセクションで相互に接続されています。電子ビームが最大 5 回連続して軌道を描くと、そのエネルギーは最大 6 GeVまで増加します(元の CEBAF マシンは 1995 年に最初に設計エネルギー 4 GeV で動作し、2000 年に「拡張設計エネルギー」の 6 GeV に達しました。その後、施設は 12 GeV エネルギーにアップグレードされました)。これにより、CERNやFermilabなどの施設で見られる古典的なリング型加速器と比較すると、レーストラックに似たデザインになります。実質的に、CEBAF は、通常の長さの 10 分の 1 に折りたたまれた、 スタンフォードのSLACに似た線形加速器です。

CEBAF の設計により、リング型加速器に典型的なパルスビームではなく、電子ビームが連続的になります (ビーム構造はありますが、パルスは非常に短く、間隔が狭くなっています)。電子ビームは、3 つの潜在的なターゲットに向けられます (以下を参照)。ジェファーソン研究所の特徴の 1 つは、電子ビームが連続的であり、束の長さが 1ピコ秒未満であることです。もう 1 つの特徴は、ジェファーソン研究所が超伝導無線周波数(SRF) 技術を使用していることです。この技術では、液体ヘリウムを使用してニオブを約 4 K (-452.5 °F) に冷却し、電気抵抗を取り除き、電子へのエネルギーの最も効率的な伝達を可能にします。これを実現するために、ジェファーソン研究所には世界最大の液体ヘリウム冷凍機があり、これは SRF 技術の最初の大規模実装の 1 つでした。加速器は地表から 8 メートル (約 25 フィート) 下に建設され、加速器トンネルの壁の厚さは 2 フィートです。

ビームは、ホール A、ホール B、ホール C、ホール D と名付けられた 4 つの実験ホールで終わります。各ホールには、電子ビームまたは実際の光子と静止ターゲットとの衝突の生成物を記録するための特殊な分光計があります。これにより、物理学者は原子核の構造、特に原子核の 陽子と中性子を構成するクォークの相互作用を研究できます。

加速器の周りを一周するごとに、ビームは 2 つのLINAC加速器のそれぞれを通過しますが、その際に通過するのは、リニアックの両端にある半円弧状の異なる一連の曲げ磁石です。電子は、リニアックを最大 5 回通過します。

ターゲットの原子核に電子ビームが当たると、「相互作用」または「イベント」が発生し、ホール内に粒子が散乱します。各ホールには、イベントによって生成された粒子の物理的特性を追跡する粒子検出器の配列があります。検出器は電気パルスを生成し、アナログ/デジタル コンバーター(ADC)、時間/デジタル コンバーター (TDC)、およびパルス カウンター (スケーラー) によってデジタル値に変換されます。

このデジタルデータは収集され、保存され、物理学者が後でデータを分析し、発生した物理現象を再構築できるようにします。このタスクを実行する電子機器とコンピューターのシステムは、データ取得システムと呼ばれます。

2010 年 6 月現在^{[アップデート]}、加速器の他の 3 つのホールとは反対側の端にエンド ステーションであるホール D を追加し、ビーム エネルギーを 12 GeV に倍増する 3 億 3,800 万ドルのアップグレード工事が開始されました。同時に、テスト ラボ (CEBAF や世界中で使用されているその他の加速器で使用される SRF 空洞が製造されている場所) の増築も行われました。

2014年5月現在^{[アップデート]}、このアップグレードによりビームエネルギーの新記録である10.5 GeVが達成され、ホールDにビームが供給されている。^[5]

2016年12月現在^{[アップデート]}、CEBAF加速器は、進行中の12 GeVアップグレードプロジェクトの試運転活動の一環として、フルエネルギーの電子を供給しました。連続電子ビーム加速器施設の運営者は、最新の実験ホール複合施設であるホールDに12 GeV電子（12.065ギガ電子ボルト）の最初のバッチを供給しました。^[6]

2017年9月、エネルギー省から12GeVアップグレードプロジェクトの完了と運用開始の正式承認の公式通知が発行されました。2018年春までに、4つの研究エリアすべてがビームを受信し、実験を行うようになりました。2018年5月2日、CEBAF 12GeVアップグレードの献納式が行われました。^[7]

2018年12月現在^{[アップデート]}、CEBAF加速器は物理品質の生産運転のために4つの実験ホールすべてに同時に電子ビームを供給している。^[8]加速器のアップグレードとその後のパフォーマンスに関する技術的な完全な説明は2024年に発表された。^[9]

ジェファーソン研究所は、電磁相互作用を利用して核子（陽子と中性子）の構造、軽い中間子の生成と崩壊、原子核内の核子の相互作用の側面を調べる幅広い研究プログラムを実施しています。^[10] 主なツールは、電子の散乱と高エネルギー実光子の生成と使用です。さらに、電子ビームと光子ビームの両方を高度に偏極させることができるため、調査においていわゆるスピン自由度を探索することができます。

4 つの実験ホールはそれぞれ異なるが重複する研究目標を持ち、それぞれに独自の計測機器を備えています。

マッチング高解像度分光計 (HRS) は、深非弾性電子散乱の研究に使用されています。非常によく制御された偏極電子ビームを使用して、電子散乱におけるパリティ違反が研究されています。

CLAS検出器は、1998 年から 2012 年までホール B 実験プログラムの主力でした。深非弾性相互作用、ハドロン分光法、および原子核相互作用の分野で物理ワーキング グループが存在します。分光計自体と物理プログラムに関連する記事については、リンクCLASを参照してください。偏光実光子と電子ビームが使用されました。物理ターゲットには、液体水素と重水素、および巨大な核物質が含まれていました。

ジェファーソン研究所の 12 GeV ビームの時代において、ホール B プログラムは、CLAS12 と呼ばれる新しい検出器や、より特殊なハードウェアを使用した他のいくつかの実験を含むように再構成されました。

複数の分光計と特殊な装置が、例えば、陽子の弱い電荷を測定するためのパリティ非保存電子散乱や、電磁相互作用によるハイパー核生成の研究に使用されてきました。

この実験ホールは、2014 年に開始された 12 GeV ビームエネルギー プログラムの開始に合わせて建設されました。このホールには、中間子の明示的なグルーオン励起を探索して、軽いフレーバーのない中間子のスペクトルを詳細にマッピングするように設計されたGlueX実験が設置されています。

JLab には、出力が 14キロワットを超える、世界で最も強力な調整可能な自由電子レーザーが設置されています。

CEBAFでは3つの補完的な実験が同時に実行されているため、3つのデータ収集システムは可能な限り類似したものにすべきであると決定されました。これにより、物理学者が1つの実験から別の実験に移動する際に、慣れた環境を利用できるようになります。この目的のために、専門の物理学者のグループが雇用され、3つのホールすべてに共通のシステムを開発するためのデータ収集開発グループが結成されました。その結果、CEBAFオンラインデータ収集システムであるCODAが誕生しました。 ^[11]

CODA は、核物理学実験用のデータ取得システムを容易にするソフトウェア ツールと推奨ハードウェアのセットです。核物理学実験および粒子物理学実験では、粒子の軌跡はデータ取得システムによってデジタル化されますが、検出器は多数の可能な測定値、つまり「データ チャネル」を生成することができます。

通常、ADC、TDC、およびその他のデジタル エレクトロニクスは、デジタル信号の入出力を提供するコネクタが前面に、バックプレーンに接続するコネクタが背面にある大型の回路基板です。ボードのグループは、ボードとバックプレーンの物理的なサポート、電源、および冷却を提供するシャーシ、つまり「クレート」に接続されます。この配置により、数百のチャネルをデジタル化できるエレクトロニクスを1 つのシャーシに圧縮できます。

CODA システムでは、各シャーシに、シャーシの残りの部分を制御するインテリジェントコントローラであるボードが搭載されています。ReadOut コントローラ (ROC) と呼ばれるこのボードは、最初にデータを受信すると各デジタイザ ボードを構成し、デジタイザからデータを読み取り、後で分析できるようにデータをフォーマットします。

• EMC効果

ウィキメディア・コモンズには、トーマス・ジェファーソン国立加速器施設に関連するメディアがあります。

• 公式サイト
• ジェファーソン研究所の物理学部門（各実験ホールへのリンクを含む）
• 自由電子レーザープログラム
• 12 GeV アップグレード
• K-12科学教育