大型電子陽電子衝突型加速器

大型電子陽電子衝突型加速器

CERNの旧LEPトンネルに大型ハドロン衝突型加速器用の磁石が詰め込まれている。
一般的なプロパティ
アクセラレータタイプ	シンクロトロン
ビームタイプ	電子、陽電子
ターゲットタイプ	コライダー
梁の特性
最大エネルギー	209ギガ電子ボルト
最大電流	6.2mA
最大輝度	1 × 10 32 /(cm 2 ⋅s) [1]
物理的特性
周	26,659 メートル​
位置	ジュネーブ、スイス
座標	北緯46°14′06″ 東経06°02′42″ / 北緯46.23500° 東経6.04500° / 46.23500; 6.04500
機関	CERN
運行日	1989–2000
後継者	大型ハドロン衝突型加速器

大型電子陽電子衝突型加速器 （LEP）は、これまでに建設された中で最大の粒子加速器の1つです。スイスのジュネーブ近郊にある原子核および粒子物理学の研究を行う多国籍研究センターであるCERNに建設されました。

LEPは、 209 GeVに達するエネルギーで電子と陽電子を衝突させた。これは、スイスとフランスを通る地下約100メートル（300フィート）のトンネル内に建設された、周囲27キロメートルの円形の衝突型加速器である。LEPは1989年から2000年まで使用された。2001年頃、LEPのトンネルを再利用した大型ハドロン衝突型加速器の建設のため、LEPは解体された。現在までに、LEPはこれまでに建設された中で最も強力なレプトン加速器である。

LEP は円形のレプトン衝突型加速器で、これまでに建造された中で最も強力なものでした。現代の衝突型加速器は、一般的にその形状 (円形または直線) と、加速して衝突する粒子の種類 (レプトンまたはハドロン) に基づいて分類できます。レプトンは点粒子で、比較的軽量です。点粒子であるため、衝突はクリーンで、正確な測定が可能です。ただし、軽いため、衝突では重い粒子で達成できるエネルギーと同じエネルギーには達しません。ハドロンは複合粒子 (クォークで構成) で、比較的重量があります。たとえば、陽子の質量は電子の 2000 倍です。質量が大きいため、はるかに高いエネルギーに加速することができ、これが現在受け入れられている理論では予測できない新しい粒子や相互作用を直接観察する鍵となります。しかし、ハドロン衝突は非常に複雑であり（例えば、無関係な飛跡が多数存在することが多く、衝突のエネルギーを決定するのは簡単ではありません）、そのため分析がより困難で、精密な測定が困難です。

衝突型加速器の形状も重要です。高エネルギー物理学の衝突型加速器は粒子を束に集め、次に束同士を衝突させます。しかし、各束の中で実際に衝突するのは粒子のごく一部だけです。円形の衝突型加速器では、これらの束はほぼ円形の周りを反対方向に移動するため、何度も衝突することができます。これにより、衝突率が高くなり、大量のデータの収集が容易になります。これは、精密測定や非常にまれな崩壊の観察に重要です。しかし、束のエネルギーはシンクロトロン放射による損失のために制限されます。線形衝突型加速器では、粒子は直線的に移動するためシンクロトロン放射の影響を受けませんが、束を再利用できないため、大量のデータを収集することがより困難になります。

円形レプトン衝突型加速器である LEP は、これまで達成できなかったエネルギーでの 電弱相互作用の精密測定に適していました。

LEPの建設は重要な事業であり、1983年から1988年にかけてヨーロッパ最大の土木工事プロジェクトとなった。^[2]

LEP衝突型加速器は1989年8月に運転を開始し、電子と陽電子を それぞれ45 GeVの総エネルギーまで加速して、質量91 GeVのZボソンを生成できるようにしました。 ^[2]その後、加速器はアップグレードされ、質量がそれぞれ80 GeVのWボソンのペアを生成できるようになりました。 LEP衝突型加速器のエネルギーは、2000年末に最終的に209 GeVに達しました。ローレンツ係数（=粒子エネルギー/静止質量= [104.5 GeV/0.511 MeV]）は200,000を超え、LEPは依然として粒子加速器の速度記録を保持しており、限界光速に非常に近いです。 2000年末、LEPは大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の建設用にトンネルにスペースを作るために閉鎖され、その後解体されました。

LEP には、CERN の加速器複合施設から運ばれた電子と陽電子が供給されました。粒子はLEP プレインジェクターによって生成され、最初に加速され、さらに陽子シンクロトロンとスーパー陽子シンクロトロンによって光速近くまで加速されました。そこから、粒子は LEP リングに注入されました。

すべてのリング型加速器と同様に、LEP のリングは、荷電粒子を円形の軌道に乗せる(そのため、粒子はリングの内側にとどまる)多数の磁石、無線周波数で粒子を加速するRF加速器、および粒子ビームを収束させる (つまり、粒子をまとめる) 四重極から構成されていました。加速器の機能は、粒子のエネルギーを高めて、粒子が衝突したときに重い粒子を生成できるようにすることです。粒子が最大エネルギーまで加速されると (いわゆるバンチに収束されると)、電子と陽電子のバンチが検出器の衝突点の 1 つで互いに衝突するように作られました。電子と陽電子が衝突すると、それらは光子またはZ ボソンのいずれかの仮想粒子に消滅します。仮想粒子はほぼ即座に他の素粒子に崩壊し、巨大な粒子検出器で検出されます。

大型電子陽電子衝突型加速器には、地下ホール内の 4 つの衝突点の周囲に構築された 4 つの検出器がありました。各検出器は小さな家ほどの大きさで、粒子のエネルギー、運動量、電荷を記録することができ、物理学者は発生した粒子反応と関与する素粒子を推測することができました。このデータの統計分析を実行することで、素粒子物理学に関する知識が得られます。LEP の 4 つの検出器は、Aleph、Delphi、Opal、および L3 と呼ばれていました。これらは、補完的な実験を可能にするために、異なる方法で構築されました。

ALEPHはCERNのLEP pH ysicsの略です 。この検出器はWボソンとZボソンの質量を1000分の1以内で測定しました。軽いニュートリノを持つ粒子のファミリーの数は2.982 ± 0.013であり、これは標準モデルの値3と一致している。量子色力学（QCD）結合定数の変化は様々なエネルギーで測定され、QCDの摂動計算に従って変化することがわかった。 ^[3]

DELPHIは、レプトン、フォトン、ハドロン識別機能を備えたDE tectorの略です。

OPALはOmni - P urpose A pparatus for L EPの略です。この実験の名前は言葉遊びで、最初にこの設計を提案した科学協力の創設メンバーの一部が、以前ハンブルクのDESYにあるJADE検出器に携わっていたことに由来しています。^[4] OPALは、広範囲のデータを収集するために設計された汎用検出器でした。そのデータは、Zボソンの線形の高精度測定、標準モデルの詳細なテスト、新しい物理学の制限に使用されました。この検出器は、 LHC機器のために2000年に解体されました。OPALバレル電磁カロリメータの鉛ガラスブロックは現在、CERNのNA62実験の大角度光子拒否検出器で再利用されています。

L3は別のLEP実験でした。^[5]その巨大な八角形の磁石リターンヨークは洞窟内にそのまま残され、LHCの ALICE検出器の一部となりました。

LEP実験の結果、標準モデルの多くの量の正確な値、特にZボソンとWボソンの質量（1983年にCERNの以前の衝突型加速器である陽子・反陽子衝突型加速器で発見された）を得ることができ、モデルを確認し、それを経験的データという確固たる基盤の上に置くことができました。

予定されていた実行時間の終わり近くに、データから、現在の高エネルギー物理学の一種の聖杯である、質量約 115 GeV のヒッグス粒子が観測されたかもしれないという、魅力的だが決定的ではないヒントが示されました。実行時間は数か月延長されましたが、無駄でした。信号の強度は 1.7標準偏差のままで、これは 91% の信頼水準に相当し、素粒子物理学者が発見を主張するために期待する信頼度よりもはるかに低く、収集された LEP データによる実験の検出範囲の上限にありました。確認を求めるために LEP 操作をさらに 1 年延長するという提案がありましたが、そうするとLHCの開始が遅れることになります。しかし、LEP をシャットダウンし、LHC を計画どおりに進めるという決定が下されました。

長年、この観測はヒッグス粒子の唯一のヒントでした。2010年までのテバトロンでのその後の実験は、これらのヒントを確認または反証できるほど感度が高かったです。^[6]しかし、2012年7月以降、LHCでのATLASとCMSの実験は、125 GeV付近にヒッグス粒子の証拠を示し、^[7] 115 GeV領域は強く除外されました。

• 電子-陽電子消滅
• 大型ハドロン衝突型加速器

• ウィキメディア・コモンズの大型電子陽電子衝突型加速器に関連するメディア
• LEPワーキンググループ
• LEP コライダーの設計から承認、試運転まで1990 年 11 月 26 日に CERN で行われたジョン アダムス記念講演からの抜粋
• LEP および関連テーマについての短いながらも優れた (ただし少し古い) 概要 (素晴らしい写真付き) は、英国素粒子物理学および天文学研究会議のこのオンライン小冊子でご覧いただけます。
• INSPIRE-HEPにおけるLEPの実験記録