マインツマイクロトロン

マインツマイクロトロン（ドイツ語名：Mainzer Mikrotron）は、略してMAMIと呼ばれ、最大1.6 GeVのエネルギーを持つ連続波の高強度偏極電子ビームを提供するマイクロトロン（粒子加速器）です。MAMIは、マインツ（ドイツ）のヨハネス・グーテンベルク大学にある粒子、原子核、X線放射線物理学の実験施設の中核です。ヨーロッパで最大規模のキャンパスベースの基礎研究用加速器施設の1つです。MAMIでの実験は、国際協力のもとで組織された多くの国の約200人の物理学者によって行われています。

MAMI の科学研究は、強い力で結合したクォークとグルーオンからなる粒子であるハドロンの構造とダイナミクスの研究に重点を置いています。最も重要なハドロンとは、原子核の基本構成要素であり、したがって通常の物質の構成要素である陽子と中性子です。電子と光子は、ハドロン内部のクォークの電荷と磁化と比較的弱くよく理解された方法で相互作用し、(横方向) サイズ、磁気モーメント、電荷と磁性の分布、フレーバー構造、分極率、励起スペクトルなどの基本的なハドロン特性に関する歪みのない情報を提供します。MAMI では、最初のハドロン励起に特徴的なエネルギー領域で、約 1 fm という典型的なハドロン サイズ程度の空間分解能で、電弱プローブの潜在能力を最大限に引き出します。

MAMI 加速器は、カスケード接続された 4 つのマイクロトロン、インジェクタ線形加速器、非偏極電子用の熱源、および 80% スピン偏極電子用のレーザー駆動源で構成されています。動作原理は、連続波 (cw) マイクロトロン技術に基づいています。ビームは、1 回転あたりのエネルギー利得が中程度である常伝導線形加速構造を何度も循環します。一定で均一な磁気曲げ場により、ビーム経路の長さは、1 回転ごとにエネルギーとともに増加します。磁場、電子を加速するために使用される無線周波数 (rf)、および 1 回転あたりのエネルギー利得は、マイクロトロンのコヒーレンス条件、つまり各経路の長さが rf 波長の整数倍であるという条件を満たすように調整する必要があります。このマイクロトロン方式は、rf 電力を効率的に使用し、固有の強力な縦方向位相フォーカスにより、優れたビーム品質と安定性が保証されます。

最初の 3 段階のそれぞれで、再循環は 2 つの均一な 180° 偏向磁石によってアーカイブされます。電子トラックは、古い競技場のレーストラックを彷彿とさせ、これが「レーストラック マイクロトロン (RTM)」という名前の由来です。第 3 段階の MAMI-B は 1990 年に運用を開始し、  2007 年末まで 97,800 時間以上、最大 882 MeV のエネルギーと 100 A cw の実験用ビームを供給しました。ビームの品質は非常に高く、30 keV のエネルギー拡散と 25 nm*rad のエミッタンスが日常的に達成されています。MAMI-B の偏向磁石は幅約 5 m、重量は 450 t です。この時点で RTM コンセプトの機械的限界に達し、MAMI-B は世界最大のマイクロトロンとなっています。 ${\displaystyle \mu }$

1990 年代の終わりに、エネルギーを約 1500 MeV まで増加させるという要求が生じました。これは、4 段目の加速器を追加することで実現しました。別の RTM を追加することは、それぞれ約 2200 トンの曲げ磁石が必要になるため不可能でした。そのため、180° ダイポールを対称ペアの 90° ダイポールのシステムに分割する手法に変更しました。各ダイポールは、それぞれわずか 250 トンの磁石で無色 180° 曲げシステムを形成します。磁石間の 45° の磁極面傾斜による強い垂直デフォーカスを補正するために、これらのダイポールには、この磁極エッジに垂直な適切な磁場勾配が組み込まれています。この方式では、2 つの非分散セクションがあり、2 つの線形加速器を設置できます。既存の実験エリアの限られたスペース内でマイクロトロンのコヒーレンス条件を満たすために、これらの線形加速器の 1 つの加速周波数は、MAMI-B 周波数 2.45 GHz の 2 倍です。もう一方のリニアックは、縦方向の安定性を高めるために、依然として 2.45 GHz で動作します。この特殊な RF 方式は、ハーモニック ダブルサイド マイクロトロン (HDSM)という名前で呼ばれています。MAMI-C は、このコンセプトを採用した世界初の加速器です (Kaiser, KH 他、2000)。

建設作業は 2000 年に開始されました。2006 年 12 月末、1 日以内に最初のテストビームが 43 回の再循環をすべて通過し、設計エネルギー 1508 MeV に達しました。わずか数週間のビームテストの後、2007 年 2 月に最初の原子核物理実験が実施されました。2007 年の MAMI ビーム時間の約 50% (7180 時間) が 1.5 GeV 操作に使用されました。最大電流 100 μA (ビーム出力 151 kW) を含む HDSM のすべての設計パラメータが検証されました。2009 年末には 1604 MeV のエネルギーに達しました。実験用ビームの平均可用性 (> 80%) は非常に高いレベルにあり、HDSM スキームが RTM カスケードと同じくらい信頼性が高く安定していることを明確に示しています。

MAMI 加速器複合施設の最大の実験ホールには、A1 コラボレーションが運用する高解像度の集束磁気分光計が 3 台設置されています。高い運動量分解能 ( p/p < ) と、立体角 (最大 28 msr) および運動量 (最大 25%) の大きな許容範囲により、このセットアップはハドロン検出と同時に発生する電子散乱に最適です。分光計の 1 つは、面外角度 10° まで傾斜できるため、面外運動学が可能になります。陽子反跳偏光計は、偏光 MAMI ビームおよび偏光ヘリウム 3 ガス ターゲットと組み合わせることで、さまざまなスピン観測対象物へのアクセスを提供します。4 台目の分光計 (KAOS/A1) は、K 中間子検出用の中程度のパス長で高運動量をカバーするもので、現在試運転段階にあります。主な物理目標は次のとおりです。 ${\displaystyle \Delta }$${\displaystyle 10^{-4}}$

• 弾性電子散乱の形状因子は、原子核系および原子核系に特徴的な最も基本的な観測量に属します。これらは、電荷および磁化の横方向の空間密度に直接関係しています。MAMI では、弾性電子核子散乱が、小さな運動量移動 Q² < 2 GeV²/c² で非常に高い精度で研究されています。
• 追加の低エネルギー光子が放出される放射非弾性電子散乱（仮想コンプトン散乱）では、準静的電磁場に対する核子の応答を研究することができます。この応答は、分極率とその空間分布の観点から説明されます。
• 中間子（パイ中間子、イータ中間子、カ中間子）と同時に起こる非弾性電子散乱は、陽子と中性子の励起スペクトルに関する情報を提供します。核子が特定の励起状態へ遷移する際の形状因子を高精度で研究できます。
• 1 つの陽子または中性子がより重いラムダまたはシグマ重粒子に置き換えられた原子核とハイパー原子核の構造と波動関数は、ノックアウトされた核子または生成された中間子と同時に原子核から散乱される電子で研究されます。

A2 コラボレーションでは、核子または原子核に入射する高エネルギー光子によって誘発される反応を研究しています。既知のエネルギーとフラックスを持つ光子ビームは、グラスゴー大学が提供する専用のタグ付け分光計を使用して制動放射線によって生成されます。偏極電子ビームは円偏極光子を生成します。直線偏極光子は、配向結晶放射器内のコヒーレント制動放射線から得られます。検出器システムの中心部は、順方向の Crystal Ball 検出器 (672 個の NaI 結晶) と TAPS 検出器 (384 個の BaF ₂結晶) を組み合わせた密閉型カロリメータです。荷電粒子の追跡と識別のために、2 層の同軸マルチワイヤ比例チャンバーと、ターゲットを取り囲む 24 個のシンチレーション カウンターのバレルが Crystal Ball 球の空洞内に設置されています。偏極陽子と重陽子用の凍結スピン ターゲットは、スピン自由度の研究に特に重要です。

主な物理学の目標は次のとおりです。

• 陽子と中性子は光子を吸収すると励起されます。光子のエネルギーが十分に高ければ、中間子が放出されます。このような中間子生成反応の確率、およびその角度とスピンへの依存性には、核子の励起状態と中間子-核子のダイナミクスに関する不可欠な情報が組み込まれています。
• 電気分極率と磁気分極率は古典物理学ではよく知られた概念で、複合システムに対する静電気と磁場の影響を説明しています。陽子と中性子の場合、スカラーとスピンに依存する分極率は低エネルギーコンプトン散乱で測定できます。
• MAMI では、中間子が高速で光生成されます。Crystal Ball 検出器を使用すると、これらの中間子の崩壊モードをほぼバックグラウンドのない環境で研究できます。${\displaystyle \eta }$${\displaystyle \eta '}$
• 原子核内部の電荷分布は、電子散乱実験で高精度に測定されています。物質分布に関する情報は、原子核からのコヒーレントな光誘起パイオン生成から得られます。このとき、光子とパイオンは原子核内のすべての陽子と中性子とコヒーレントに相互作用します。

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A4 コラボレーションは、非分極ターゲット (基本的には水素または重水素) からの分極電子の弾性散乱断面積の小さな非対称性を測定します。検出器の前方角度構成または後方角度構成のいずれでも達成される運動量移動は、0.1 GeV²/c² から 0.6 GeV²/c² の範囲です。長さ 10 cm または 20 cm の高出力液体水素ターゲットと I = 20 μA の分極電子ビームにより、次のオーダーの輝度が得られます。散乱電子は、約 100 MHz のイベント レートを処理する全吸収セグメント化フッ化鉛カロリメータによって測定されます。電子ビームの分極度は、メイン実験と同時にレーザー コンプトン後方散乱分極計によって測定されます。 ${\displaystyle L=10^{38}~{\rm {cm^{2}/s\ .}}}$

物理学上の主な目標は 2 つあります。

• パリティを破る電子散乱の非対称性は、縦方向に偏極した電子ビームで測定されます。素粒子物理学の標準モデルからの入力を使用して、ストレンジ海クォークが核子の電気的および磁気的形状因子に及ぼす影響が決定されます。
• 横方向に偏極した電子ビームを使用すると、1 光子交換振幅と 2 光子交換振幅の干渉により、主要な非対称性が観測されます。これらの非対称性は、核子の励起中間状態に敏感です。2 光子交換振幅の虚数部を決定できます。

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MAMI の X1 コラボレーションでは、優れた新しい放射線源を開発し、その応用の可能性を探求しています。電磁スペクトルは、遠赤外線から硬 X 線の範囲にまで及びます。「優れた」とは、多数の光子が小さな点から鋭い束として放出されることを意味します。MAMI では、直径がサブミクロンの範囲にまで及ぶビーム スポットが可能です。研究されている生成メカニズムには、赤外線および光学スペクトル範囲でのスミス パーセル放射線、軟 X 線範囲でのアンジュレーター放射線、硬 X 線範囲でのチャネリング放射線、パラメトリック X 放射線、遷移放射線などがあります。出版物のリストは、こちらでご覧いただけます。

マインツ大学原子核物理学研究所のホームページ。

49°59′30″N 8°14′11″E / 49.99167°N 8.23639°E / 49.99167; 8.23639