スーパー陽子・反陽子シンクロトロン

スーパー陽子・反陽子シンクロトロン （Sp p S 、陽子・反陽子衝突型加速器としても知られる）は、1981年から1991年まで欧州原子核研究機構（ CERN）で稼働していた粒子加速器である。陽子・反陽子衝突型加速器として稼働するために、スーパー陽子シンクロトロン（SPS）は、1ビームシンクロトロンから2ビーム衝突型加速器へと大幅な改修が行われた。この加速器で行われた主な実験はUA1とUA2で、1983年にWボソンとZボソンが発見された。カルロ・ルビアとサイモン・ファン・デル・メールは、 WボソンとZボソンの発見につながったSp p Sプロジェクトへの貢献により、 1984年のノーベル物理学賞を受賞した。^[1] Sp p Sで行われた他の実験は、 UA4、UA5、UA8である。

1968年頃、シェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグ、アブドゥス・サラムが電弱理論を考案しました。これは電磁気学と弱い相互作用を統一する理論で、3人はこの理論により1979年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。 ^{[2]この理論は}WボソンとZボソンの存在を仮定していました。この理論は2段階に分けて実験的に確立され、最初の段階は欧州原子核研究機構（CERN）のガルガメル共同研究によるニュートリノ散乱における中性カレントの発見で、このプロセスでは弱い力を運ぶ中性粒子であるZボソンの存在が必要でした。ガルガメル共同研究の結果により、WボソンとZボソンの質量の計算が可能になりました。 Wボソンの質量は60～80 GeV/c ²、Zボソンの質量は75～92 GeV/c ²と予測されたが、そのエネルギーは当時稼働していたどの加速器でも到達できないほど大きかった。 ^[3]電弱理論を確立する第2段階はWボソンとZボソンの発見であり、より強力な加速器の設計と構築が必要となった。

1970年代後半、CERNの主要プロジェクトは大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）の建設だった。このような装置はWボソンとZボソンの特性を生成し測定するのに理想的だった。^[3]しかし、WボソンとZボソンを見つけなければならないというプレッシャーから、CERNのコミュニティはLEPの建設を待つことはできないと感じていた。新しい加速器が必要であり、その建設にLEPを犠牲にすることはできなかった。^[4] 1976年にカルロ・ルビア、ピーター・マッキンタイア、デビッド・クラインは、当時フェルミ国立加速器研究所で陽子加速器が既に稼働しており、CERN（SPS）でも建設中だった陽子加速器を陽子-反陽子衝突型加速器に改造することを提案した。^{[5]このような装置は、磁場が反対方向にあるために別々のチャンバーを必要とする陽子-陽子}衝突型加速器とは異なり、単一の真空チャンバーしか必要としなかった。陽子と反陽子は電荷が反対だがエネルギーEは同じなので、同じ磁場内を反対方向に周回することができ、総質量中心エネルギー で陽子と反陽子が正面衝突する。^[3]この方式は米国のフェルミ国立加速器研究所と欧州原子核研究機構（CERN）の両方で提案され、最終的に欧州原子核研究機構のスーパープロトンシンクロトロン（SPS）に採用された。^[3]${\displaystyle {\sqrt {s}}=2E}$

W ボソンと Z ボソンは、主にクォーク・反クォーク消滅の結果として生成される。パートン模型では、陽子の運動量は陽子の構成要素間で共有される。つまり、陽子の運動量の一部はクォークによって運ばれ、残りはグルーオンによって運ばれる。各クォークは運動量の一部しか運ばないため、陽子をボソンの質量に等しい運動量まで加速するだけでは不十分である。したがって、推定される 60～80 GeV (W ボソン) および 75～92 GeV (Z ボソン) の間隔でボソンを生成するには、ボソン質量の約 6 倍、つまり約 500～600 GeV の質量中心エネルギーを持つ陽子・反陽子衝突型加速器が必要になる。^{[3] Sp} p Sの設計は、を検出する必要性によって決定された。約600 GeVでのZ生成断面積は約1.6 nbで、崩壊率は約3%なので、L=2.5 · 10 ²⁹ cm ⁻² s ^−1の光度では1日あたり約1回のイベント率となる。^{[3]このような光度を達成するには、SPSの角運動量と運動量受容性を持ついくつかの束に分散した、1日あたり約3·10 10個}の反陽子を生成できる反陽子源が必要になる。 ${\displaystyle Z\rightarrow e^{+}e^{-}}$${\displaystyle Z\rightarrow e^{+}e^{-}}$

SPSはもともと陽子用のシンクロトロンとして設計され、1本の陽子ビームを450 GeVまで加速し、固定ターゲット実験のために加速器から取り出しました。しかし、SPSの建設期間の前から、陽子反陽子加速器として使用するというアイデアが浮上していました。^[6]

陽子反陽子衝突型加速器の最初の提案は、1966年にオルセーのゲルシュ・バドカーとアレクサンダー・スクリンスキーによって、バドカーの新しい電子冷却のアイデアに基づいてなされたようです。^[7] 1972年にサイモン・ファンデルメールは確率的冷却の理論を発表し、^[8]後に彼はこの功績で1984年のノーベル物理学賞を受賞しました。^{[9]この理論は1974年に欧州原子核研究機構の}交差貯蔵リングで確認されました。電子冷却は陽子反陽子衝突型加速器のアイデアにつながったかもしれませんが、最終的には確率的冷却がSp p S 用の反陽子を準備するための前段加速器で使用されました。

一方、欧州原子核研究機構（CERN）のガルガメレ実験で中性電流が発見されたことがきっかけで、カルロ・ルビアと共同研究者は陽子・反陽子衝突型加速器の提案を行った。1978年にこの計画は欧州原子核研究機構（CERN）理事会で承認され、1981年7月に最初の衝突が行われた。 ^[6]最初の運転は1986年まで続き、大幅なアップグレードの後、1987年から1991年まで運転が続いた。 ^[6]この衝突型加速器は、1987年以来運転されていたフェルミ国立加速器研究所の1.5 TeV陽子・反陽子衝突型加速器と競争できなくなったため、1991年末に閉鎖された。

1981 年から 1991 年にかけて、SPS は年間の一部をシンクロトロンとして運用し、固定ターゲット実験用の単一ビームを加速し、また一部の期間は衝突型加速器 (Sp p S) として運用されました。

ビームが長時間循環しなければならないSp p Sのような蓄積リングの要件は、SPSのようなパルスシンクロトロンの要件よりもはるかに厳しい。 ^[10] 1978年にSp p Sが決定された後、SPSには以下の変更が行われた。^[6]

• 反陽子をPSからSPSに移送するために、反時計回りの注入用の新しい注入システムとともに、新しいビームラインが構築されました。
• SPSは14 GeV/cの注入用に設計されており、新しい注入は26 GeV/cとなるため、注入システムをアップグレードする必要があった。
• SPSビーム真空システムの改良。設計真空度2·10 ⁻⁷ TorrはSPSには十分であった。シンクロトロンとしてビームは450 GeVまで加速され、非常に短時間で取り出されるからである。^[10] Sp p Sの貯蔵時間は15～20時間であり、真空度をほぼ3桁向上させる必要があった。
• 加速無線周波数システムは、陽子と反陽子の同時加速のために改良する必要がありました。検出器の中心で衝突が起こるように、陽子と反陽子の束を正確に同期させる必要がありました。
• ビーム診断は、低いビーム強度に適応する必要がありました。陽子と反陽子を独立して観測するための方向性結合器などの新しい装置が追加されました。
• 実験のための巨大な実験エリア（UA1とUA2）の建設。実験のための場所を確保するためにビーム中止システムを移動する必要がありました。^[10]

十分な数の反陽子を生成し、貯蔵することが、Sp p Sの建設における最大の課題の1つでした。反陽子の生成には、陽子シンクロトロン（PS）や反陽子蓄積装置（AA）など、既存のCERNインフラストラクチャを使用する必要がありました。反陽子は、PSから26 GeV/cの運動量で強力な陽子ビームを生成ターゲットに向けることで生成されました。出現する反陽子バーストは3.5 GeV/cの運動量を持ち、磁気的に選択されてAAに誘導され、何時間も貯蔵されました。主な障害は、ターゲットから出現する反陽子の運動量と角度の大きな分散でした。^[11]ビームサイズを縮小する方法は、シモン・ファン・デル・メールによって発見された確率的冷却と呼ばれています。簡単に言えば、これはすべてのビームが粒子状であり、したがって、微視的レベルでは、特定の体積内の密度が統計的な変動を受けるという事実に基づいたフィードバックシステムです。^[10] WおよびZボソンを発見するという目的は、衝突型加速器の光度に一定の要求を課し、したがって、実験では、SPSの角運動量受容範囲内のいくつかの束に毎日3·10 ^{10反陽子を供給できる反陽子源が必要でした。 [6]} AAでの反陽子の蓄積には数日かかる場合があります。1986年から1988年にかけてのアップグレードにより、AAのスタッキング率が10倍に増加しました。^[10]反陽子コレクター（AC）と呼ばれる2番目のリングがAAの周囲に構築されました。

AA で反陽子が積み重ねられた後、PSと Sp p S が充填の準備をする。まず、それぞれ約 10 ^{11 個の}陽子を含む 3 つの陽子バンチが PS で 26 GeV まで加速され、Sp p Sに注入される。 ^[3]次に、それぞれ約 10 ^{10 個}の反陽子を含む 3 つの反陽子バンチが AA から抽出され、PS に注入される。^[3] PS では、反陽子バンチは陽子と反対方向に 26 GeV まで加速され、Sp p S に注入される。注入のタイミングは、加速器内でのバンチ交差が検出器の中心である UA1 と UA2 で確実に起こるように調整された。AA から Sp p S への転送効率は約 80% であった。^[12] 1981年から1986年にかけての最初の運転では、Sp p Sは3つの陽子バンチと3つの反陽子バンチを加速しました。アップグレードで反陽子のスタッキング率が増加した後、衝突器に注入される陽子と反陽子の数は3から6に増加しました。^[6]

Sp p S に注入されると、両方のビームは 315 GeV まで加速されます。その後、AA が次の充填に備えて蓄積を再開する間、物理データ取得のために 15 ～ 20 時間保管されます。3 つの陽子束と 3 つの反陽子束が同じ真空チャンバー内を循環するため、6 つのポイントで出会います。UA1とUA2は、これらの出会いポイントの 2 つに配置されました。実験から離れた未使用の交差点では、静電セパレーターを使用して分離が行われました^{[6] 1983 年まで、磁気コイルの}抵抗加熱のため、質量中心エネルギーは 546 GeV に制限されていました。さらに冷却を追加することで、1984 年にマシンのエネルギーを 630 GeV まで押し上げることができました^[6]

固定ターゲット実験用の加速器として運用される場合、SPSはビームを450 GeVまで加速し、数秒以内にビームを取り出すことができる（LHCへの注入用にバンチを加速する場合にはほんの一瞬で）。しかし、衝突型加速器として運用される場合、ビームはビームライン内に何時間も貯蔵する必要があり、加速器の双極子磁石はより長い時間一定の磁場を維持しなければならない。磁石の過熱を防ぐために、Sp p Sはビームを315 GeVまでしか加速しない。しかし、この制限は磁石を100 GeVと装置の最大容量である450 GeVの間で段階的に上げていくことで克服できる。^[13] Sp p Sはビームを450 GeVまで加速し、磁石の加熱によって制限される時間だけこのエネルギーを維持し、その後ビームを100 GeVまで減速する。パルス運転は、磁石内の平均電力分散が315 GeVでの動作レベルを超えないように行われた。Sp p Sは1985年以降、時折パルス運転を行い、質量中心エネルギー900 GeVでの衝突を実現した。^[13]

Sp p S は 1981 年 7 月に運用を開始し、1983 年 1 月までにUA1およびUA2 実験による WおよびZ ボソンの発見が発表されました。UA1実験のスポークスマンであるカルロ・ルビアとサイモン・ファン・デル・メールは、ノーベル委員会のプレスリリースで述べられているように、「(...) 場の粒子 W および Z の発見につながった大規模プロジェクトへの決定的な貢献 (...)」により1984年のノーベル物理学賞を受賞しました。 ^{[1]カルロ・ルビアには「(...) 既存の大型加速器を陽子と反陽子の貯蔵リングに改造するというアイデア」、つまり Sp} p Sの構想に対して、サイモン・ファン・デル・メールには「(...) 現在では反陽子にも適用されている、陽子の高密度充填と貯蔵のための独創的な方法」、つまり反陽子蓄積装置を可能にする技術、つまり確率的冷却の考案に対して賞が贈られました。^{[1] Sp} p Sの構想、構築、運用は、それ自体が偉大な技術的成果であると考えられていました。

Sp p Sが稼働する前には、この装置がそもそも動作するのか、あるいはビーム束に対するビーム間効果によって高輝度での運転が妨げられるのかどうかが議論された。^[6] Sp p Sは、ビーム束に対するビーム間効果を制御できること、そしてハドロン衝突型加速器が素粒子物理学の実験のための優れたツールであることを証明した。この点で、この加速器はCERNの次世代ハドロン衝突型加速器であるLHCの基礎を築いた。^[3]

• スーパープロトンシンクロトロン
• スーパープロトンシンクロトロン実験のリスト
• UA1実験
• UA2実験
• 確率的冷却
• WボソンとZボソン

• ウィキメディア・コモンズのスーパー陽子・反陽子シンクロトロンに関連するメディア
• 「W粒子とZ粒子：個人的な回想」UA2広報担当者、ピエール・ダリウラ氏
• Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015)「W 粒子と Z 粒子の発見」CERN の 60 年間の実験と発見より。CERN ドキュメント サーバー: World Scientific
• シュミット、ルディガー（2017）「CERN SPS陽子反陽子衝突型加速器」『21世紀の加速器の課題と目標』ワールドサイエンティフィック