ILCの推進状況に関する第３回勉強会

ILC加速器21世紀の⾰新栗⽊雅夫
広島⼤学

先進理⼯系科学研究科

2021/8/25（⽔）

1

加速器超⼊⾨加速器とは何か？

2

活躍する加速器
ダークマターから⻭科治療まで

3

⽬次

どうしたらビッグバンが作れますか？
コライダーという魔法の道具

4

21世紀のコライダーはリニア？
砲丸投げとやり投げ、どっちが遠くまで届くか？

5

ILC加速器の概要
超クールな加速器

6

まとめそして旅は始まったばかり
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2

加速器超⼊⾨

加速器＝エネルギーを増やす装置

電場（電圧）
粒⼦
初期の加速器Oxford⼤のCockcroft Walton加速器（1960年代の未来のイメージ）The Power of PowerPoint | thepopp.com

3加速器が拓く未来(21世紀)
この100年の間に加速器も⼤きく進化。加
速器は我々に何をもたらしたのか。そしてこれから何をもたらすのか？

1897 陰極線管を使い、電⼦を発⾒
⼈類と素粒⼦との初めての出会い

20cm , 100kV

J. J. Thomson
初めて素粒⼦に出会った男

2008 LHC（CERN)稼働開始

26km, 13 TeV110年で、⼤きさ13万倍、エネルギー13億倍
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5加速器発展の歴史
新たな加速器は新たな扉を開く

静電型加速器とにかく⾼電圧だ

サイクロトロン

渦巻加速

シンクロトロン

100,000 eV

200,000,000 eV
シンクロ（同期）せよ、さらば加速されん

7,000,000,000,000 eV
コライダー

衝突は創造

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6

微⼩な世界薬を設計せよ極微の世界を探る。

タンパク質、酵素の構造と機能解析により、新薬を設計。

細胞、病原菌ウイルス
ナノサイエンス

究極の物質

健康を⽀える

安全を⽀える

物質の最⼩単位は？

レントゲン透視撮影

質量はどう⽣まれたか？

CT

構造物の⾮破壊検査（耐久性確認）PETガン診断

セキュリティ検査

宇宙の構造は？

ガン放射線治療
NIAID-RML

https://bp-affairs.com/

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7エネルギーフロンティア
加速器界の超エリート

EUROPEASIAPETRA DORIS

US
SLC

PEP

TRISTAN

HERA

ISR

SppS
LEP/LHC

SPEAR

International
LinearColliderTEVATRON

SSC

SSC
Superconducting Super Collider

•••
•
•
•
•

項⽬

SSC

LHC

周⻑
重⼼系エネルギー

87km
40TeV

27㎞
13 TeV陽⼦＋陽⼦コライダー.LHCの3倍の規模。
1986年 CDR（Conceptual Design Report).
1987年 SSC計画を政府が承認.
1989年 Texas州ダラス近郊に建設開始, 5.9BUSD.
1991年 加速器仕様変更. コスト8.3BUSD.
1993年 予算により⼯期を3年延⻑, 11BUSD.
1993年10⽉21⽇ 両院協議会でSSC中⽌を決定。

仕様

変更前

変更後

磁極⼝径
HEB⼊射エネルギー
MEB⼊射エネルギー
主リング周⻑

4cm
1 TeV
100 GeV
83km

5cm
2 TeV
200 GeV87km

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9

エネルギーフロンティア
加速器界の超エリート

EUROPE

ASIA

US
SSC

ILC
FCC

LEP/LHCTEVATRON

コライダー
動いてはいけない

ヒッグス粒⼦をつくるにはコライダー（効率的）
ビームエネルギー
125GeV + 125 GeV（ILC1台分）

固定標的（運動エネルギーの分だけ損）

衝突した後、粒⼦が動いていると、運動エネル
ギーの分だけ無駄となる。

ビームエネルギー
62500000 GeV（ILC250000台分）
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11純粋なエネルギーの塊
全ては無から始まる

無から⽣じるビッグバン
エネルギーだけで、外に何もない状態＝ビッグバン。これをつくる
⽅法は、物質と反物質の消滅。

物質エネルギー反物質
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12どうしたらビッグバンをつくれますか？
先⽣の解答

電⼦

エネル
ギー

陽電⼦

加速した電⼦と陽電⼦を衝突させて、消滅させましょう。

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13

21世紀のコライダーはリニア
新しい酒は新しい⾰袋に20世紀のコライダーの多くは円形コライダー
1．多数回の加速で⾼エネルギー。
2. 曲げるとエネルギーがこぼれおち、その量はエネルギーが⾼くなるほど多くなる（四乗で発散）。
21世紀のコライダーは曲げない加速器＝リニア

14限界の無い加速器、リニアコライダー
技術の進歩により再現なく進化

リニアだから可能な拡張
リニアコライダーの加速エネルギー𝜀𝜀 = 𝐿×𝐸
𝐿:加速器の⻑さ

新しい加速器技術（⾼い加速勾配𝐸 ）𝐸 :加速勾配加速器の増設（ 𝐿の延⻑）
により、将来にわたり拡張が可能

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15ILCは未来のコライダー
FCC-eeは最後のリングコライダー

FCC-ee• 原理的な限界が無いので、新しい加速技術を導⼊し、距離を延ばせば、エネルギーは際限無く上がる。
• リングコライダーは強いシンクロトロン放射（エネルギーの四乗に⽐例）による損失により、新技術を導⼊しても、エネルギーを上げられない。

ILC

コスト

電⼦リニアコライダーの時代

500 GeV
11000億円
250 GeV
8000億円

将来のリニアコライダー

エネルギー
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16リニアコライダー、その挑戦
新しい時代の新しい挑戦

強烈な⼀撃

遠くの的を狙え

⽣まれながらのエコ

WIKIPEDIA

加速は⼀度きり。強⼒な加速器。 「⼤きさの無い」電⼦と陽電⼦を⇔円形コライダーはハンマー投 正⾯衝突させる。名⼈を超える衝突精度。
げ。繰り返し加速。

ビームは再利⽤できない。
⼤切な少ないビームを効率的に利⽤。

超伝導加速器
ILCは超クール

超流動ヘリウムにより2.0 Kという超低温まで加速器（Nb空洞）を冷却。超伝導にする。
ほぼ電⼒損失が無い状態で、⾼い加速勾配 31.5 MV/mを実現。
⼀気の加速と消費電⼒の低減（エコ）を両⽴。
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100万回のビッグバン
ILCはエコなビッグバン⼯場
陽電⼦数

⼀秒あたりのビッグバンの回数

＝

ビーム⾯積
（底⾯積）

電⼦数

電⼦数 × 陽電⼦数
電⼦・陽電⼦１秒間にやってくる
少ない電流、ナノビームで××
省電⼒で、の⾯積ビームの数衝突させると、たくさんのビーム⾯積⼤量のビッグバンを⽣成
対消滅反応

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19

⼆つのコライダー
ハイパワーか、エコか

リングコライダー

リニアコライダー

WIKIPEDIA

Tokai U.

省電⼒（⼩さいビーム電流）で⼤量のビッグバンを⽣成。⼩さい電⼒で最⼤のパフォーマンスを発揮できるように最適化されたシステム。

⼤電流ビームで、⼤量のビッグバンの⽣成を⽬指す。
出⼒を最⼤化することで、最⾼のパフォーマンスを得ることを⽬指すシステム。
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ナノビームへの道
良質なものだけが究極に⾄る

⾊を消せ

世界で最も平⾏なもの
ILCビームの⾓度広がりは4.0x10-14 rad.
⽇本の鉄道最⻑直線区間(28.7km, 室蘭本線）進んでも、そのずれは1.2ナノメー
ター。

ビームエネルギーのわずかな広がりで、絞られ⽅に差がでて、うまく絞れない（⾊収差）。
⾮線形磁場を導⼊し、⾊収差を補正して、ボケの無いナノビームを⽣成。
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ナノビームの実証
すでに我が手にあり

KEK（茨城県、つくば市）
ATF２試験加速器で45nm極⼩ビームを実証（ILC最終⽬標37nm)レーザーの⼲渉縞を電⼦ビームでスキャンし、電⼦ビームの⼤きさを測定。
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22ILC加速器、まとめ時代を切り拓く加速器

ダークマターから⻭科治療まで
加速器は基礎物理研究から、⾝近な医療、健康、安全まで、社会の進歩と維持・発展に⼤きく貢献。これからもその活躍の場は広がることでしょう。

どうしたらビッグバンを起こせますか？
真空中で電⼦と陽電⼦を衝突させましょう。
それにはコライダーという加速器が最適です。

新しい時代のコライダー、それがリニアコライダー
省エネ型のナノビームで⼤量のビッグバンを作り出す、それがリニアコライダー。
エネルギー拡張も容易で、リングコライダーに代わり、これからの電⼦コライダー実験を担います。
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