コライダー

衝突型加速器は、2つの反対の粒子ビームを一緒にして粒子を衝突させるタイプの粒子加速器です。^{[1]移動する粒子が静止した物質ターゲットに衝突する他の粒子加速器と比較して、衝突型加速器はより高い衝突エネルギーを達成できます。衝突型加速器は、}リング加速器または線形加速器のいずれかです。

衝突型加速器は、粒子を非常に高い運動エネルギーまで加速し、他の粒子に衝突させることで、素粒子物理学の研究ツールとして使用されます。これらの衝突の副産物を分析することで、科学者は素粒子の世界の構造とそれを支配する自然法則に関する優れた証拠を得ることができます。これらは高エネルギーで非常に短い期間にのみ明らかになる可能性があるため、他の方法で研究することは困難または不可能である可能性があります。

素粒子物理学では、粒子を非常に高い運動エネルギーまで加速し、他の粒子と衝突させることで素粒子に関する知識を得ます。エネルギーが十分に高くなると、粒子を他の粒子に変える反応が起こります。これらの生成物を検出することで、関連する 物理学についての洞察が得られます。

このような実験を行うには、次の 2 つの設定が可能です。

• 固定ターゲットの設定:粒子ビーム (発射体) は粒子加速器で加速され、衝突相手としてビームの経路上に固定ターゲットが配置されます。
• 衝突型加速器: 2 本の粒子ビームが加速され、ビームが互いに向けられるため、粒子は反対方向に飛行しながら衝突します。

衝突型加速器のセットアップは構築が難しいが、特殊相対性理論によれば、一定の速度で互いに接近する 2 つの粒子間の非弾性衝突のエネルギーは、1 つの粒子が静止している場合の 4 倍 (非相対論的物理学の場合) になるだけでなく、衝突速度が光速に近い場合は桁違いに高くなるという大きな利点がある。

衝突点が実験室系内で静止している衝突型加速器の場合（すなわち）、質量中心エネルギー（衝突で新しい粒子を生成するために利用できるエネルギー）は単に であり、ここでと は各ビームからの粒子の全エネルギーです。粒子2が静止している固定ターゲット実験の場合、です。^[2]${\displaystyle {\vec {p}}_{1}=-{\vec {p}}_{2}}$${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }}$${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}}$${\displaystyle E_{1}}$${\displaystyle E_{2}}$${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }^{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2m_{2}E_{1}}$

衝突型加速器に関する最初の本格的な提案は、中西部大学研究協会（MURA）のグループから始まりました。このグループは、2つの接線ラジアルセクターFFAG加速器リングの建設を提案しました。^[3] 最初の論文の著者の1人である大川智弘は、単一の磁石リング内で2つの反対方向に回転する粒子ビームを加速できるラジアルセクターFFAG加速器の設計を開発しました。 ^{[4] [5]} MURAグループによって構築された3番目のFFAGプロトタイプは、この概念の実現可能性を実証するために1961年に構築された50MeV電子マシンでした。

ジェラルド・K・オニールは、 1つの加速器を使って一対の接線蓄積リングに粒子を注入することを提案した。元のMURA提案と同様に、衝突は接線セクションで発生する。蓄積リングの利点は、はるかに低いフラックスを達成する注入加速器からの高いビームフラックスを蓄積できることである。^[6]

最初の電子-陽電子衝突型加速器は、1950年代後半から1960年代初頭にかけて、イタリアのローマ近郊フラスカティにある国立原子核物理学研究所でオーストリア系イタリア人物理学者ブルーノ・トーシェクによって建造され、米国ではウィリアム・C・バーバー、バーナード・ギッテルマン、ジェリー・オニール、バートン・リヒターを含むスタンフォード大学とプリンストン大学のチームによって建造された。同時期に、VEP-1電子-電子衝突型加速器は、ソ連のノボシビルスクにある原子核物理学研究所のゲルシュ・ブドカーの監督の下、独立して開発・建造された。衝突ビームにおける粒子反応の最初の観測は、1964年半ばから1965年初めにかけて、3つのチームによってほぼ同時に報告された。^[7]

1966年、CERNで交差貯蔵リングの作業が始まり、1971年にこの衝突型加速器が稼働しました。^{[8] ISRは、CERN}陽子シンクロトロン から注入された陽子を蓄積して衝突させる一対の貯蔵リングでした。これは最初のハドロン衝突型加速器であり、それ以前のすべての取り組みは電子または電子と陽電子を対象としていました。

1968年、フェルミ国立加速器研究所で最高エネルギーの陽子加速器複合施設の建設が始まった。この加速器は最終的にテバトロン衝突型加速器にアップグレードされ、1985年10月には1.6 TeVの重心エネルギーで初の陽子-反陽子衝突が記録され、当時世界最高エネルギーの衝突型加速器となった。エネルギーは後に1.96 TeVに達し、2011年の運転終了時には、衝突型加速器の輝度は当初の設計目標の430倍を超えた。^[9]

2009年以来、世界で最も高エネルギーの衝突型加速器は、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）である。現在、陽子-陽子衝突で13 TeVの重心エネルギーで運転されている。円形や直線型、ハドロン（陽子-陽子またはイオン-イオン）、レプトン（電子-陽電子またはミューオン-ミューオン）、または電子とイオン/陽子の衝突など、さまざまなタイプの将来の粒子衝突型加速器プロジェクトが12件以上検討されており、ヒッグス/電弱物理学の詳細な調査とLHC後のエネルギーフロンティアでの発見を目指している。^[10]

出典：情報はParticle Data Groupのウェブサイトから取得しました。^[11]

WikiquoteにColliderに関する引用があります。

• LHC - ウェブ上の大型ハドロン衝突型加速器
• 相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC)