ILC大学連携タスクフォースセミナー

宇宙創成の謎にせまる国際リニアコライダー (ILC)計画

ILCの加速器
京都大学
2017年 4月2６日（水）ジャクリン

ヤン (KEK 素核研）	

1	

トークの流れ加速器実験が目指すもの〜加速器実験の発展の歴史〜

リニアコライダーの意義〜リニア vs リング〜

ILCの加速器の構成〜生成・加速・収束・衝突〜

2トークの流れ加速器実験が目指すもの〜加速器実験の発展の歴史〜

リニアコライダーの意義〜リニア vs リング〜

ILCの加速器の構成〜生成・加速・収束・衝突〜

3

加速器実験が目指してきたもの	
「ものは何で出来ているのか？」 	
周りの物質の構造を実験的に調べる事から始まった	例）ラザフォード散乱 （1911年）	
••原子の構造を調べるために、金箔にα線を当てた	
中心に重い塊（原子核）があることがわかった	

水分子	

水素原子	
酸素原子	

一滴の水	

小さな粒子同士を高速で衝突させると	物質の究極の構造が分かる	
科学の歴史に残る大発見	

電子の雲	 中性子	

新発見	原子核	陽子	

当時は「自然の加速器」である	放射性原子核（α線）を利用した	
4	

加速器実験が目指してきたもの	
•

更に奥を覗く為には原子核の中まで入るより高いエネルギーの粒子が必要	
高いエネルギーの粒子 、 短波長の波(光学顕微鏡è電子顕微鏡）	

加速器： 電気の力を使って粒子にエネルギーを与える装置	
時代とともに加速器が発展し、	ますますエネルギーが上がり、	細かく内部構造が見えるようになった	

水分子		
水素原子	
酸素原子	

一滴の水	

電子の雲	 中性子	
アップクォーク	
アップクォーク	

新発見	
原子核	

陽子	

ダウンクォーク	• 更にエネルギーを上げていくと、宇宙初期の状態を再現できる	
宇宙創成の謎に迫ることができる （物理のトーク）	

5	

		

物理の	新発見		

相互に	絡み合う	加速器技術の新発明		

加速器技術の急速な発展	及び	ますます多くの新物理の発見	
6	

陽子・反陽子加速器の歴史	

トップの発見(1995)	

ヒッグスの発見	
(2012)	

W,Zの発見	(1983)	

7	

電子・陽電子加速器の歴史		

新物理の発見能力が	ますます高まる

グルーオンの発見	
(1979)	

Zの精密測定	ILC
次世代の電子陽電子加速器	

J/ψの発見	(1974)	

ヒッグスなどの精密測定	や新粒子発見によって	標準理論を超える物理を解明	

8	

日本のKEKには多数の加速器がある	

STF	  と	  ATF	  は	  ILC	  加速器開発の為の加速器	  STF	KEKB加速器	

ATF	

直径１ｋｍ	KEKB実験室	KEKBリング	
KEKB	
9	東京ディズニーリゾートとKEK	

こっちの方が	楽しいですよ	
10	

トークの流れ加速器実験が目指すもの〜加速器実験の発展の歴史〜

リニアコライダーの意義〜リニア vs リング〜

ILCの加速器の構成〜生成・加速・収束・衝突〜

11高エネルギー加速器実験にとって重要なもの	
新物理発見のリーチを決める	

E, m	vs 	

E, m	

"#cm −2 s −1 $% × σ "#cm 2 $%N "#Es −1 $%== L2mE
CM

ECM : 重心系エネルギー

E: ビームエネルギーE, m	

ECM = 2Em: 粒子質量	コライダーはビームエネルギーをフル活用する偉大な発明	
GeV 以上のビームエネルギーでは、	コライダーは固定標的に比べて圧倒的に有利	
12	

コライダーにとって重要なもの	
物理解析の命は統計量 ( = 単位時間あたりの反応数)	

N "#s −1 $% = L "#cm −2 s −1 $% × σ "#cm 2 $%L : Luminosity（輝度）	

σ：反応断面積	

行き違う粒子の密度レート	
2fN
L=4πσ xσ yf : 加速器の繰り返し周波数	
N: ビームバンチ内の粒子数	
σx (σy) : 横（縦）方向ビームサイズ	

〜反応が生じる有効面積		
神様が決める	

コライダーの性能はLuminosity 	
= 単位断面積あたりの反応数	
13	

コライダーにとって重要なもの	
物理解析の命は統計量 ( = 単位時間あたりの反応数)	
−1 $−2 −1 $
2$"""
Ns=Lcms×σcm
L を工夫することにより	
# %#% #%コライダーの性能を上げる！	
L : Luminosity（輝度）	

σ：反応断面積	

行き違う粒子の密度レート	
2fN
L=4πσ xσ yf : 加速器の繰り返し周波数	
N: ビームバンチ内の粒子数	
σx (σy) : 横（縦）方向ビームサイズ	

〜反応が生じる有効面積		
神様が決める	

コライダーの性能はLuminosity 	
= 単位断面積あたりの反応数	14	

今まで建設されたコライダーの殆ど全てがリング型	

なぜ線形加速器を作るのか？

15	

LEP加速器	
• 周長〜27km 、 史上最大の円形e+e-コライダー (1989-2000)	
• CERNに建設され、運転終了後にトンネルをLHC加速器に使用	
• Zボソンの精密測定などが主な成果		
• 最高エネルギー √s = 209 GeV (104 GeV x 104 GeV)	

なぜ209GeVで止めたのか？	
もう少しエネルギーを増やせば125 GeV ヒッグスが見えたのに …	（ZH生成閾値： 215 GeV)	

16	

LEP加速器	
E, m	
• 周長〜27km 、 史上最大の円形e+e-コライダー (1989-2000)	
2R	
• CERNに建設され、運転終了後にトンネルをLHC加速器に使用	
• Zボソンの精密測定などが主な成果	
加速部			
SR輻射で失ったエネルギーを加速	部分で追加しなければいけない	• 最高エネルギー √s = 209 GeV (104 GeVx 104 GeV)		

なぜ209GeVで209 GeVはLEPの限界だった	止めたのか？	
リング型のe+e-加速器はシンクトロン輻射(SR)による		損失が大きいため、高い衝突エネルギーへ行けない		

もう少しエネルギーを増LEPでは、104 GeVのビームが１周する間に	やせば125 GeV ヒッグス
エネルギーが約2 GeV低下	が見えたのに …	
√s= 500 GeVなら１周あたり100 GeV程度も損失する		

（ZH生成閾値： 215 GeV)		
17	

なぜ線形加速か？	
１周あたりのSRによるエネルギー損失	

P ∝ (E/m)４/R	 		mE 	粒子エネルギー		
粒子質量		R	
リング半径	

エネルギー2倍 à 損失16倍	

E, m	2R	
加速部	
輻射で失ったエネルギーを	加速部分で追加しなければいけない	より高エネルギー衝突を目指すためには	
1. 重い粒子を加速する è LHC (Mp /Me =1900) しかしe+e-マシンの方が精密	
2. 軌道半径を大きくする è 場所の制限	
3.

線形加速する è リニアコライダー ILC (Rà∞)	

• 線形加速は、電子陽電子衝突で500 GeV以上を到達できる唯一の方法	
• もうひとつの利点：

エネルギー拡張性	

リニアコライダーがエネルギーフロンティアを引き継ぐ！	

18	

リング vs リニア： Luminosity作戦	
リング： ビームを周回させる	

リニア：ビームを一度だけぶつける	
e+	

e+	

e-	

SRが無い	
加速部	
が長い	

加速部	
が短い	

e-	

SRが多い	

繰り返し加速可能	
• 加速部は短くて良い 	• 繰り返し周波数とビーム電流を大きくできる 	
ビームビーム効果のためにビームサイズを小さくしにくい	

fN 2
L=
4πσ xσ y

繰り返し加速できない	• 長い加速部が必要	
• 電力効率の点からビーム電流が制限される	
ビームビーム効果の許容が緩く、ビームサイズを小さくできる	

ビームビーム効果： 衝突点で相手ビームの磁場の影響により、ビームが乱されたり、絞れなかったりすること	トークの流れ加速器実験が目指すもの〜加速器実験の発展の歴史〜

リニアコライダーの意義〜リニア vs リング〜

ILCの加速器の構成〜生成・加速・収束・衝突〜

20

ILC 加速器の技術	
高いluminosityを実現するために	• 粒子ビームの生成 	
– 偏極電子と陽電子の生成	
– 多くのバンチ （1010個の粒子の塊）	

• 粒子ビームの加速	– 高い加速勾配を実現する超伝導加速空洞	

• 粒子ビームの収束	
- ビームを超平行に整える	
- 衝突点でビームを数nmまで絞る		
21	

ILC 加速器の鳥瞰図"
衝突点	
ダンピングリング	
ビーム質を整える	
極低エミッタンス化	

電子・陽電子源	

測定器	

粒子を作る	

最終収束装置	  ビーム質絞る	

ビームを加速する	

主加速器	   Energy : 250GeV + 250GeV"
日本の山岳地帯用トンネルデザイン�

Length : 11km + 11km"# of MB-Klystron: 560 "# of Cryomodules : 〜1700 "# of Cavities : 〜14700 "第１期（ s=500 GeV) : 〜30 km
第２期（ s >1 TeV） : 40 km超 22	ILC加速器の構成
ダンピングリング	
電子	

主加速器	 陽電子源	

電子源	

陽電子	

主加速器	

23	  

粒子の生成	
まずは電子と陽電子を作らないといけない		

新物理探索のために偏極ビームにしたい	

24	

電子と陽電子の偏極ビーム	
世界の対称性が大きく破れているため、 反物質は存在しない	

電子	

陽電子	

レーザーを物質に当てて取り出す（光電効果）	

真空にエネルギーを与えて作る	（ガンマ線のe+e-対生成反応）	
e-	γ	

e-	γ	

円偏光レーザー	
円偏光レーザー	e+	photocathode	

ILCの物理にとってビーム偏極は極めて重要	
偏極度 は電子が80%以上、陽電子が30%以上 （期待値）	
25	

電子源	
•

高い偏極度を実現したい	•

従来のフォトカソードは偏極度が最大で50%	

従来のGaAs格子	伝導帯に上げた電子のスピンの方法がバラバラ	

円偏光レーザー	

エネルギー	順位が縮退	

26	

電子源	
ILCでは、現時点で唯一偏極度>80%を実現できる	
GaAs/GaAsP超格子フォトカソードを採用	
KEK-名大-NECで世界初の成功	

GaAs/GaAsPの超格子	伝導帯に上げた電子のスピンが揃う	

円偏光レーザー	
特定の状態のみ励起	エネルギー順位間の縮退が解く	偏極度92％を実現可能	27	

陽電子源	
ILCではヘリカルアンジュレーターで陽電子を作る	
通過した電子を	そのまま衝突に使う	生成された陽電子を次の衝突で使う	

周期的に変化する螺旋状磁場	

e-	e+	
電子の蛇行運動が回転	

物理実験用に作った電子ビームを通す	

円偏光γ線を生成（>10MeV）	

γ線の対生成反応
により偏極陽電子を生成	28	

ビームの加速	
物理探索は	粒子エネルギー	で決まる	

リニアコライダーでは	加速勾配	が非常に重要	

ILCでは	超伝導加速空洞	を用いる		

29	

加速の方法	マイクロ波を入れる空洞内に加速電場が生成される	
高周波電力 Lバンド（1.3 GHz）	

(陽)電子	

115.4mm	
1274mm	

軸上の電場の向きはRF周波数で変動する	
（粒子が常に加速されるように）	
30	

超伝導加速空洞	

ILCの空洞は純ニオブ製	

BCS resistance	•

空洞壁での損失を最小化し、効率よくRFパワーをビームに伝達するために、超流動液体ヘリウムで-271度（2K）に冷却	

•

運転時の平均勾配（目標）： 31.5 MV/m

ω2

⎛
Δ ⎞
⎜⎟⎟
RBCS = Aexp⎜ −T⎝ k B ⋅ T ⎠
ILC: ω= 1.3 GHz (c.f. KEKB: ω=500 MHz)	
一層低温に冷やす必要がある	

•

ほぼ電気抵抗ゼロの超伝導状態
で粒子ビームを実験に必要なエネルギーまで加速させる	

超伝導を保つ為に、断熱した冷凍容器内に設置 	

表面をツルツルにするために電解研磨を施す 性能基準が厳しい！ 	
Ø 空洞１つ： 机ほどの面積の１カ所に30μm以上の傷は×	Ø ILC全空洞：サッカー場ほどの面積の１カ所に30μm以上のの傷は×	

31		クライオモジュール
超伝導空洞が収納される断熱真空容器	
クライオモジュール１個	

12.65m	

超伝導空洞	

真空容器	輻射熱シールド	
何十層の断熱材	

ヘリウムガス回収配管	

液体ヘリウム供給配管		

断熱
効果

断面図	

高周波	入力結合器	

超伝導空洞	

機構セミナー(2016/2/19)
山本 康史(KEK加速器)

超伝導空洞の大量生産・品質管理、コストダウン	の検討がILCの実現に極めて重要	
計画通りに空洞を製造できるか (5 yrで > 31.5MV、> 17000台）？	
ILCのコストは約半分がmain linac！ (トンネルの値段込み） 	

品質管理、コストダウン： European XFEL @DESY （放射光施設）	
ILCのと同様な超伝導空洞からなる世界最長の線形加速器 	
ILCの1/20スケール （全長3 km、17GeV、 空洞 800 台）	
性能試験の結果より、既にILCの要求加速勾配を上回っている	

大量生産： XFELで証明された大量生産方式を導入し、北米、欧州、アジアの３地域で共同生産を行えばILCの第一期計画が実現可能	

総合試験： 各国で作られた装置を１つのシステムとして日本（KEK）で組み合わせる	
33	

ビームの収束	luminosity（衝突確率）を高めたい	

ビームを極小に絞る	

34	

最終収束系	
••

加速後、衝突点で極小ビームサイズにする	
ビーム収束は四重極磁場のペアで行う	

ビーム軸	

衝突点	
凸レンズ	

凹レンズ	

Q:

Luminosityを大きくするために、	衝突点ではどのようなビームの形状にすればよいのか？	
ヒント	
•Luminosityを上げる為に 断面積σx・σy を小さく したい	•

ビームビーム効果を抑える為に周長 （σx＋σy) を大きく したい	
衝突点	

35	

最終収束系	
ビームビーム効果（luminosity () を抑えると同時に	) を大きくするための作戦は		

扁平ビーム	
横方向	

σy = 500 nm	

水素原子10個分		
σy = 6 nm	 インフルエンザウィルスの1/10以下	

縦方向	

バンチ長	σz = 300 μm	
36	超平行ビーム	
衝突点でビームを小さく絞る前に、	まずは究極的に平行なビームを作る必要がある	

5 nm	
衝突点	
超平行ビーム	

月まで行っても１mしか広がらない	（レーザーの１万倍も平行）	
37	

超平行ビームとダンピングリング	1	 輻射により	運動量を減らす	

3	
運動量が	縦方向に揃う	

2	 加速空洞で縦方向運動量のみ回復	

周回しているうちに、ビームが平行になる	38	ナノビームの実現： ATF/ATF2@KEK	
ATF2

ILCのためのDRと最終収束系の試験施設	
(2007〜) ILCのための最終収束系の試験施設	

ILCと同じ光学系設計でビーム収束手法の検証に成功	
Goal : 37 nm ßà ILC 6 nm	
(ATF: 1.3 GeV

ILC: 250 GeV)	

ビームエネルギーでスケール	

ATF2	

最終収束系	

公表最小記録：	
2014：σy = 44 nm 	
2016：σy = 41 nm (ILC 換算 7 nm) 	
参考） Phys. Rev. Lett. 112, 034802	

ダンピングリング	

仮想衝突点	

ILCの要請を越えたビーム平行度（超低エミッタンス)を達成	

Photocathode RF gun	S band Linac	

50m	

39	

（余談）新竹モニター	  ATF2にて東大・KEKでの共同開発	

現時点で 数十nm	  のビームサイズを測定できる 唯一のデバイス	  レーザー干渉縞と電子ビームのコンプトン散乱を使用	  
ATF2の仮想衝突点で	電子ビームと干渉縞が衝突	

コンプトン散乱光子	  は γ 線検出器へ	  γ	e-	e-	
レーザー干渉縞	  ビームはdump	  へ	  コンプトン信号の 変調度 を測定し、ビームサイズを算出 	
→ 干渉縞位相に対する信号強度の変化量	

40	  （余談）新竹モニター	  コンプトン信号の 変調度 を測定し、ビームサイズを算出 	
→ 干渉縞位相に対する信号強度の変化量	
N: コンプトン信号の強度	

信号強度	
細いビーム： M 大	N +	N -	! cos(θ ) $dσy =2 ln #&2πM"%※ ビーム収束に合わせて、干渉縞間隔 d （レーザー交差角θ ）を変えて測定範囲を調整する	

実際、ATF2ではσyが目標値37nm以下まで絞れていた可能性がある	
41 nmはσyの上限値であり、新竹モニターに由来する系統誤差がσyを過大評価させる		 系統誤差の参考： J.Yan et al: Nucl. Instrum. and Meth. In Phys, Research A740 (2014) 131-137
J. Yan, Doctoral Thesis, The University of Tokyo, 2015		

41	  加速器のまとめ	•

加速器の技術の飛躍的向上と新物理の発見がお互いを後押ししてきた	•

シンクロトロン放射の無い、電子陽電子リニアコライダー	

ILCが高エネルギー素粒子物理の最前線を引き継ぐ	
•新物理探索のために高いluminosityを稼ぐ	

• ILCの加速器の各部分の研究開発は着々と進んでいる	

粒子源	

加速空洞	

ビーム収束	

高い変極度を実現	

高い勾配を持つ超伝導空洞	と実現に向けての大量生産	

ナノビームの実現によりビーム収束手法を実証	
42	

ILC の実現に向けて	
199X	
ILC計画の方向性決定	

2018: 建設開始予定 (9 年)	

現在	

2020年代後半	

巨大実験の立ち上げに参加できる貴重な機会	
2012	
技術設計書
(TDR)の完成	

〜2017 : 	国家政府間の交渉	
加速器の詳細設計	
サイト・コストの検討	

2016 - 2018 : 	建設の合意	
国際研究所の形成	

建設終了	
実験開始	
研究者コミュニティが考えるタイムライン	

今後、政府の決定（予想1 - 2年）があれば：	
準備期間４年程度＋建設期間１０年程度で完成	

岩手・宮城県の北上山地 	
現場での技術設計が進行中	

43	

LCWS	  2016	  @	  盛岡	

h0p://lcws2016.sgk.iwate-­‐u.ac.jp/index.html	

44	

本講義の最後に持ち帰っていただきたいメッセージが２つあります45	メッセージ その１	

我々の宇宙の究極な理解を目指して、ILCは前代未聞の高精度な物理を提供する46	

メッセージ その２	
このトークを聞いて、ILCに興味を持ち始める方々へ		
ILCは若手研究者の力を必要としている		
最先端の大規模な国際的高エネルギー実験	にその立ち上げから関わる事ができる！	

47	

ILCを是非一緒に実現させましょう！

48	

BACKUP

49	

Cathode ray tube	

加速器史上最大の発明：•

初期の加速器は静電加速器 	
直流型： 放電による限界 (〜2 MeVまで）	
Cathode	

交流（電波）による加速の原理

anode	screen	

R. Wideroe, 1928	

一回の加速量に限界があっても、	RF空洞 + 周回軌道 の繰り返し加速で	原理的にどこまでも加速可能 	高いエネルギー	è 新物理の発見	
50	

超伝導空洞の大量生産： XFELで性能試験	
モジュールに組み込んだ後：31MV/mを達成	
単体空洞試験：平均35 MV/mを上回っている	

XFEL基準値	

51	

52	

ガウスの法則

beamstrahlung

53	

•
•

可能な遷移の行列要素（CG係数の二乗）〜角運動量の合成を考えたときの結合の強さ	  エネルギーなどの条件が同じなら、遷移確立はこの数字に比例	  縮退が解ける理由は、結晶が等方的でなくなると、周期的な境界条件が方向によって変化してしまうので、軌道角運動量とスピンの混合状態のエネルギー縮退が解けるから	

54	

−１のヘリシティーの光による遷移を表しています。1/2と-­‐1/2への遷移のCG係数は	
sqrt(3)	  :1なので、遷移確率は二乗をとって、3:1	

55	

衝突点�
四重極電磁石�（ペアで使う）�

•エネルギーの異なる粒子は異なる場所で焦点を結んでしまう	  •色収差（ボケ）の補正が鍵： 六重極磁場を中心とする非線形光学系を使用	

56	

Path	  length	  adjustment	  ► 陽電子は電子により生成される。	
► ●	  陽電子は次の衝突に使われるので、DRで200ms待っている。	
► ●	  衝突と陽電子生成は同時に行われるので、DRの中にはまだ衝突前	
► の陽電子が沢山いる。	
► ●	  陽電子が入る部屋をDRに用意しなくてはならない。	
► ●	  作られた陽電子は、親となる電子の衝突相手の陽電子が居た場所	
► に入るようにするのがよい。	  

57	  58