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 （LEP）は、これまでに建設された粒子加速器の中で最大級のものの1つである。スイスのジュネーブ近郊にある、原子核物理学と素粒子物理学の研究を行う多国籍研究機関であるCERNに建設された。

LEPは、電子と陽電子を209GeVのエネルギーまで衝突させる装置でした。スイスとフランスを横断する、地下約100m （300フィート）のトンネル内に建設された、円周27キロメートルの円形衝突型加速器でした。LEPは1989年から2000年まで使用され、2001年頃に解体され、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の建設用地となりました。LHCはLEPのトンネルを再利用しました。現在に至るまで、LEPはこれまでに建設されたレプトン加速器の中で最も強力な装置です。  

LEPは円形レプトン衝突型加速器であり、これまでに建設された中で最も強力なものでした。参考までに、現代の衝突型加速器は、その形状（円形または直線状）と、加速および衝突させる粒子の種類（レプトンまたはハドロン）に基づいて大まかに分類できます。レプトンは点粒子であり、比較的軽量です。点粒子であるため、衝突はクリーンで精密な測定に適していますが、軽量であるため、より重い粒子で達成できるの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）であり、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まで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されていない新しい粒子や相互作用を直接観測する鍵となります。しかし、ハドロン衝突は非常に複雑で（例えば、無関係な飛跡が多数発生することが多く、衝突エネルギーを正確に決定することは容易ではない）、そのため解析がより困難であり、精密測定にも適さない。

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、粒子を束ねて集め、それらの束同士を衝突させます。しかし、各束の中の粒子のうち、実際に衝突するのはごくわずかです。円形衝突型加速器では、これらの束はほぼ円形の軌道を反対方向に移動するため、何度も衝突させることができます。これにより、衝突頻度が高くなり、大量のデータを収集しやすくなります。これは、精密測定や非常にまれな崩壊の観測にとって重要です。ただし、シンクロトロン放射による損失のため、束のエネルギーは制限されます。直線衝突型加速器では、粒子は直線上を移動するため、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のはより困難です。

円形レプトン衝突型加速器であるLEPは、これまで達成不可能だったエネルギー領域における電弱相互作用の精密測定に非常に適していた。

LEPの建設は重要な事業であった。1983年から1988年の間、それはヨーロッパ最大の土木工事プロジェクトであった。^{[ 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合計45 GeVのエネルギーまで加速して、質量91 GeVのZボソンの生成を可能にした。^{[ 2 ]}加速器は後にアップグレードされ、それぞれ質量80 GeVのWボソンのペアの生成が可能になった。LEP衝突型加速器のエネルギーは最終的に2000年の終わりに209 GeVに達した。ローレンツ因子（=粒子エネルギー/静止質量=[104.5 GeV/0.511 MeV]）が20万を超え、LEPは依然として粒子加速器の速度記録を保持しており、光速の限界に極めて近い。2000年末にLEPは停止され、その後、トンネル内に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の建設スペースを確保するために解体された。    

LEPには、CERNの加速器複合施設から供給される電子と陽電子が供給された。これらの粒子はLEPプレインジェクターで生成され、初期加速された後、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に近い速度までさらに加速された。そこから、LEPリングに注入された。

すべてのリング型衝突型加速器と同様に、LEPのリングは、荷電粒子を円形軌道に押し込む（リング内に留まるようにする）多数の磁石、無線周波数波で粒子を加速するRF加速器、および粒子ビームを集束させる（つまり粒子をまとめておく）四重極で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増加させ、粒子が衝突したときに重粒子が生成されるようにすることでした。粒子が最大エネルギーまで加速され（いわゆるバンチに集束されると）、検出器の衝突点の1つで電子と陽電子のバンチが衝突するようにしました。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。仮想粒子はほぼ瞬時に他の素粒子に崩壊し、それらは巨大な粒子検出器によって検出されます。

大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）には、地下ホール内の4つの衝突点の周囲に4つの検出器が設置されていた。それぞれの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、物理学者はそれによって発生した粒子反応と関与した素粒子を推測することができた。このデータの統計分析を行うことで、素粒子物理学に関する知識が得られる。LEPの4つの検出器は、アレフ、デルファイ、オパール、L3と呼ばれていた。これらは相補的な実験を可能にするために異なる構造で構築されていた。

LEP実験の結果により、標準模型の多くの量、中でも最も重要なZボソンとWボソンの質量（これらは1983年にCERNの初期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）の正確な値が得られ、それによって模型が確認され、確固たる経験的データに基づいたものとなった。

予定されていた実行期間の終盤に、データは、現在の高エネルギー物理学における一種の聖杯とも言える、質量約115 GeVのヒッグス粒子が観測された可能性を示唆する、魅力的ではあるものの決定的な証拠とはならない兆候を示した。実行期間は数ヶ月延長されたが、成果は得られなかった。信号の強度は1.7標準偏差のままであり、これは91%の信頼水準に相当するが、素粒子物理学者が発見を主張する際に期待する信頼水準をはるかに下回っており、収集されたLEPデータを用いた実験の検出範囲の極めて高い上限値であった。確認のためにLEPの運用をさらに1年間延長するという提案もあったが、これはLHCの開始を遅らせることになる。しかし、LEPを停止し、計画通りにLHCを進めるという決定が下された。

長年にわたり、この観測はヒッグス粒子の唯一の手がかりでした。2010年までのテバトロンでのその後の実験は、これらの手がかりを確認または否定するのに十分な感度を持っていませんでした。^{[ 11 ]}しかし、2012年7月から、LHCのATLASおよびCMS実験は、125 GeV付近のヒッグス粒子の証拠を提示し、^{[ 12 ]} 115 GeV領域を強く排除しました。

• 電子・陽電子対消滅
• 大型ハドロン衝突型加速器

• ウィキメディア・コモンズにある大型電子陽電子衝突型加速器（LEPC）関連のメディア
• LEPワーキンググループ
• LEP衝突型加速器の設計から承認、試運転までの過程 1990年11月26日にCERNで行われたジョン・アダムズ記念講演からの抜粋
• LEPおよび関連テーマに関する簡潔ながらも優れた（やや古い情報ではあるが）概要（素敵な写真付き）は、英国素粒子物理学・天文学研究評議会のオンライン小冊子に掲載されている。
• INSPIRE-HEPにおけるLEPの実験記録