COMPASS実験

スーパープロトンシンクロトロン
（SPS）

主なSPS実験
ＵＡ１	地下エリア1
ＵＡ２	地下エリア2
NA31	NA31実験
NA32	高解像度シリコン検出器を用いたハドロン相互作用におけるチャーム生成の調査
コンパス	構造と分光のための共通ミューオン・プロトン装置
輝く	SPS 重イオン・ニュートリノ実験
NA62	NA62実験
SPS前加速器
pとPb	陽子用線形加速器（Linac 2）と鉛用線形加速器（Linac 3）
（マークなし）	陽子シンクロトロンブースター
追伸	陽子シンクロトロン

NA58 実験、またはCOMPASS (「構造と分光のための共通ミューオンおよびプロトン装置」の略) は、CERNのSPSの M2 ビームラインで行われる60 メートルの長さの固定ターゲット実験です。実験ホールは、フランスの村 Prévessin-Moëns に近い CERN 北部エリアにあります。実験は、多数の追跡検出器、粒子識別、熱量測定を備えた 2 段階の分光計です。物理的結果は、散乱プロセスの最終状態を記録して分析することによって抽出されます。

多目的なセットアップ、さまざまなターゲットと粒子ビームの使用により、さまざまなプロセスの調査が可能になります。主な物理学の目標は、核子スピン構造とハドロン分光法の調査です。この共同研究には、13か国から220人の物理学者が参加し、28の大学と研究機関が参加しています。

COMPASS 実験は 1996 年に提案され、 CERN研究委員会によって承認されました。1999 年から 2001 年にかけて実験が開始され、最終的に 2001 年に最初の試運転が行われました。LHC 実験の開始まで、COMPASS は CERN で最大のデータ取得実験でした。また、 MicroMegas、GEM検出器、最近では THGEM 光子検出などの新しい検出器および読み出し技術を採用した先駆者でもあります。データ取得は COMPASS I フェーズと II フェーズに分かれています。

コンパスI（2002-2011）

• 核子スピン構造
• 核子におけるグルーオン偏極
• 核子スピンのu、d、sフレーバー分解
• 横方向スピン
• クォークの横方向運動量分布
• パイオン分極率
• エキゾチックな州を検索:
  • 光中間子分光法
  • 重粒子分光法

コンパスII（2012-2021）

• 核子トモグラフィー（深部仮想コンプトン散乱）
• 非分極クォークの横方向運動量分布とストレンジネス
• パイオンとカオンの分極率
• 偏極ドレルヤン：横方向運動量分布の普遍性
• d-クォークの横断性

この実験は、ビーム望遠鏡、ターゲット領域、2 段階分光計という 3 つの主要部分で構成されています。

M2 ビームラインは、スーパープロトンシンクロトロンから発生するさまざまな二次および三次粒子ビームを輸送できます。一次陽子ビーム (400 GeV/c、スーパーサイクルあたり最大 1.5E13 個の陽子) は、ベリリウム生成ターゲットに向けられ、主に (反) 陽子、パイ中間子、および K 中間子からなる二次ハドロンを生成します。生成ターゲットと実験は 1.1 km の長さの転送ラインで分離されており、弱い崩壊と大規模なハドロン吸収体の使用により、自然にスピン偏極したミューオンビームを生成できます。ビームラインは、最大 280 GeV/c の運動量のビームを輸送するように設計されています。通常、COMPASS では 5 つの異なるビームが使用されます。

• 公称運動量160 GeV/cまたは200 GeV/cの正および負のミューオンビーム、
• 公称運動量190 GeV/c、陽子75%、パイ中間子24%、カオン1%の組成を持つ正ハドロンビーム、
• 公称運動量190 GeV/c、反陽子1%、パイ中間子97%、K中間子2%の組成を持つ負ハドロンビーム、
• 校正目的の低強度電子ビーム（60および40 GeV/c）。

入射粒子のタイミングと位置は、コールド シリコン ストリップ検出器とシンチレーション ファイバー検出器によって決定されます。これらの情報は、ターゲット材料内の相互作用点を決定するために重要です。ビームの種類に応じて、ビーム テレスコープの修正が行われます。

• ミューオンビームの場合、運動量はビーム運動量ステーションを使用して測定されます。
• ハドロンビーム内の異なる粒子タイプを区別するために、チェレンコフ検出器が使用されます。

物理目標に応じて、適切なターゲットが必要です。分極物理の場合、ターゲット材料のスピンは一方向に向いている必要があります。ターゲットセルにはアンモニウムまたは重水素が含まれており、マイクロ波放射と強力な磁場によって分極されます。分極グレードを維持するために、³ He/ ⁴ He希釈冷凍機を使用してターゲット材料を 50 mK まで冷却します。ターゲット材料は、ビーム軸に対して縦方向または横方向に分極できます。

非分極物理学では、主に液体水素が使用され、陽子の特性を研究することができます。高い原子番号が必要な他の物理学では、ニッケル、鉛、その他の核ターゲットが使用されます。

固定ターゲット実験の主な利点は、受容性が大きいことです。ローレンツブーストにより、最終状態と散乱粒子のほとんどはビーム軸に沿って生成されます。これにより、固定ターゲット実験の独特なセットアップが実現します。ほとんどの検出器はターゲットの後ろに配置されます (「前方分光計」)。一部のプロセスでは、ターゲットからの反跳核子を検出する必要があります。ここでは、シンチレータ材料の 2 つのバレルで構成される反跳陽子検出器が使用されます。陽子は、飛行時間とエネルギー損失によって識別されます。

COMPASS 実験は、さまざまな追跡検出器タイプを備えた 2 つの分光計ステージで構成され、各ステージは分光計磁石の周囲に設置され、粒子の運動量を決定します。最初のステージは大きな散乱 (生成) 角度のトラック専用で、2 番目のステージは小さな角度専用です。さらに、最初のステージには、 10 ～ 50 GeV のパイオンとカオンを区別できるリング イメージング チェレンコフ検出器("RICH") があります。荷電粒子の測定には、次のタイプの検出器が使用されます。

• MicroMegas、マイクロメッシュガス検知器、
• ピクセル化されたマイクロメガ、
• GEM、気体電子増倍管、
• ピクセル化されたGEM、
• ドリフトチャンバー、
• ストロー、
• SciFis、シンチレーションファイバーステーション、
• MWPC、マルチワイヤ比例チャンバー、
• ホドスコープ、散乱したミューオンを検出するために使用されるシンチレータカウンタ。

中性粒子、すなわち光子は電磁カロリメータで検出されます。生成されたハドロンのエネルギーはハドロンカロリメータで決定されます。

• スーパープロトンシンクロトロン実験のリスト

• コラボレーション公式サイト
• COMPASS実験セットアップ
• 「COMPASS が核子のスピンに焦点を合わせる」、The CERN Courier、2006 年 7 月 25 日 (2008 年 6 月 26 日にアクセス)。
• INSPIRE-HEPにおける CERN-NA-058 (COMPASS) 実験記録