■ 研究紹介

ATF2 プロジェクト
東京大学

素粒子物理国際研究センター

佐貫 智行
sanuki@icepp.s.u-tokyo.ac.jp
2006 年 (平成 18 年) 2 月 28 日

ATF2 プロジェクトとは、次世代電子陽電子加速器・衝突器 (リニアコライダー) において素晴らしい物理成果を子や陽電子をできるだけ小さなバンチに押し込め、密度上げるために進めている研究の一つである。

水平方向が 550 nm、垂直方向にいたっては僅か 5 nm と唐突ではあるが、ATF2 プロジェクトではいう非常に狭い空間の中に、進行方向がよく揃った 1010を最大限にまで高める。ILC では、長さ方向が 150 µm、個の電子や陽電子を詰め込む計画になっている。

(A) 37 nm という極めて小さなビームサイズの実現

リニアコライダーの全長は、重心系のエネルギーが(B) ナノメートルレベルでのビーム軌道制御の実証

1 TeV の場合には電子側、陽電子側が各々 20 km ほどになる。わずか 5 nm の 電子と陽電子のバンチを 20 km 走の実現を目指している。リニアコライダーといえば、加らせて、正面衝突させるといっても実感がわかない。こ速勾配が 36 MeV/m であるとか、全長が 40 km である

れは、地球軌道上の太陽を挟んでちょうど反対の位置 (たとか、システムの巨大さが目立つ中にあって、非常に精とえば、1 月 1 日と 7 月 1 日の地球の位置) からピンポ

緻な技術の開発を目指す ATF2 プロジェクトについて紹ン球を打ち出して、正面衝突させることに相当する。こ介したい。

れでは、衝突を保証することは絶望的に難しい。しかしながら、ILC は高速のフィードバックシステムを有する。

1

ビーム軌道の位置を常に測定し、その結果を用いて補正ビームを加速しただけでは・・・しながら、衝突点まで正確に導くのである。5 nm の電子

TeV エネルギーの世界を電子陽電子衝突で探るリニアと陽電子のバンチを正面衝突させるためには、nm レベ

コライダー計画は国際協力で建設を目指すことが 2004 年

ルでビームの軌道を測定して制御することが不可欠であの夏に確認され、International Linear Collider (ILC) とる。さもなければ、史上最高エネルギーの電子ビームと命名された。その後, 世界各地で加速器と測定器の開発研

陽電子ビームは、虚しくすれ違うだけである。ビームを究が精力的に行われているのは高エネルギーニュース誌

加速しただけでは、物理実験ができない。

でも報告されているとおりである。
リニアコライダーはその名が示すように直線であるの2で、主線形加速器を収めるために長大なトンネルを必要最終収束系とする。このトンネルを少しでも短くするために、あるい上で述べたとおり、ビームを細く絞り込み、その軌道は、限りあるトンネルの中で少しでも高いエネルギーにをナノメートルレベルで制御して確実に衝突させること到達するために、加速勾配を上げる必要があるのは言うが、リニアコライダーにおける物理実験には必須である。

までもない。しかし、高い加速勾配が得られればそれで済ILC においては、主線形加速器を出てから、電子と陽電むわけではない。何度も衝突のチャンスがある LEP のよ子のそれぞれが 1,800 m ほどの「最終収束系」を持つ。

うな円形衝突器と異なり、リニアコライダーでは電子やこのセクションでは、エネルギーや運動方向をそろえる陽電子に与えられる衝突のチャンスはたった一度きりでと共に、ビームを細く絞り込む。絞り込まれたビームのある。この状況下でも優れた物理成果を上げるためには、サイズや軌道は、高精度で瞬時に測定し、測定器の中央ビームが交叉する 1 回あたりの衝突確率を極限にまで上で相手のビームと衝突させるべく、高速のフィードバッげることが必須である。すなわち、できるだけ多くの電1

IP

図 1: ATF2 全景図。
クをかける。このように、非常に高いエネルギーのビーレベルの技術を実際の電子ビームを用いて実証をするたムを扱う巨大なシステムでありながら、高速で精緻な一めには、電子ビーム自身の大きさが十分に小さくなけれ面を持つのが最終収束系であると言える。

ばならない。ビームサイズがマイクロメートルであったら、ナノメートルレベルの技術の実証は決してできない。

3

ビーム自身を研究対象として最終収束系の実証を行っ試験施設

た後には、この収束系から出てくる極細ビームを用いて主線形加速器の基幹技術である超伝導加速空洞を試験す測定・制御技術を実証することになる。このように、最る施設は TTF (DESY)、SMTF (FNAL)、STF (KEK)

終収束系の試験施設は、最終収束系自身の実証研究のみなどがある。一方、最終収束系を実証するためには Final

ならず、リニアコライダーで必要になる種々のビーム診

Focus Test Beam (FFTB) という施設が SLAC にあったが、既に稼働を終了した。FFTB では、1994 年から始まった実験で、電子ビームを 70 nm 程度にまで絞り込む断装置の開発のためにも極めて重要である。

4

ことに成功している。

ATF2 プロジェクト

その後、最終収束系の性能を向上させると同時に、長さ2004 年 11 月、リニアコライダーの実現を国際協力で目を短くしてリニアコライダーの全長を少しでも短くする

指す ILC 計画が提案されて最初の国際ワークショップがKEK において開催された。この場に於いて、日本グルー
プは ATF2 プロジェクトを提案した [2]。ATF Damping

ことを目指して、主に計算機シミュレーションによる研究が進められた。現在では、local chromaticity correction

Ring が作り出すリニアコライダー仕様の超低エミッタ
ンスビームを取り出して ILC で使用する最終収束系のミの原理に基づいたコンパクトな最終収束系が提案され [1]、ILC でも採用されると見込まれている。
物理実験をする上でも最終収束系は極めて重要なので、ニチュア版に通し、上に述べたような local chromaticity

この新しい原理に基づく最終収束系が確実に動作することは実際にビームを使った試験によって確認したい。とこcorrection の原理に基づいたコンパクトな最終収束系の原理証明と、ナノメートルレベルのビーム制御技術の開発・ろが、FFTB はすでに運転を停止しているため、新しい実証を目指すプロジェクトである。これは、2000 年から試験施設が必要になる。また、ビーム同士を実際に衝突

日本国内で検討されていた計画 [3] を ILC-Asia, Working

させるために必要なナノメートルレベルの測定と制御のGroup 4 の中で検討し [4]、ILC 用に発展させたものであった。図 1 に ATF および ATF2 の全景図を示す。

技術は開発が始まったばかりである。このナノメートル

2ࣄ࣭࣑ࢦ࢕ࢫ㸝ᆱ├᪁ྡྷnm㸞

実現するためには、ビーム焦点におけるビーム軌道をナ

1.E+06ノメートルの精度で測定する高精度ビームポジションモ
1.E+05ニタや、測定したビーム軌道位置情報を用いて最終収束磁石にフィードバックをかける高速のムーバーなどが必

1.E+04要になる。ハードウェアの詳細については、文献 [5] を参照されたい。

1.E+03
1.E+02

5

ATF2 と ILC 最終収束系

1.E+0102040

ATF Damping Ring が作り出す電子ビームのエミッタ

60
80100
ࣄ࣭࣑ࣚ࢕ࣤࡡ㛏ࡈ㸝m㸞

ンスは非常に小さく、ILC の仕様を満たす。しかし、そのエネルギーは 1.3 GeV と、ILC の 250–500 GeV と比図 2: ATF2 におけるビームサイズ。ビーム焦点 (90 m較して数百分の一である。これほどエネルギーが違って付近) において 37 nm にまで絞り込む。

いても ATF2 が ILC 最終収束系の実証に役立つのか確認しておく必要があろう。

2005 年度中は、ATF2 プロジェクトの目的を明確にし、

表 1 は、ILC と ATF2 の主要なビームパラメータを比その意義を明らかにすると同時に、目的を実現するため較したものである。詳細は ATF2 の提案書 [5] に譲るが、に必要なハードウェアの検討を続け、プロジェクトを推ビームエネルギーを除くパラメータが非常に似通ってい進するための国際組織を作り、作業と予算の分配作業をることが分かる。ATF Damping Ring から取り出される進めてきた。2005 年 8 月に ATF2 Proposal Vol.1 [5] をビームを用いた実験では、ILC の最終収束系を通るビー公表し、「ATF2 とは何か?」(目的とハードウェア) につムを模擬することが可能なのである。

いて説明した。さらに、2006 年 2 月には「ATF2 を如何にして実現するか?」(スケジュール、推進体制、予算) を

表 1: ビーム焦点におけるビームパラメータの比較説明する ATF2 Proposal Vol.2 [6] を発表した。本紹介文

Parameters

ATF2ILC

し詳しく書くと、Beam Energy [GeV]L∗ [m]

1.3
1250
3.5 – 4.2(A) 37 nm という極めて小さなビームサイズの実現

γ ²x [m-rad]
γ ²y [m-rad]3 × 10−6
3 × 10−8

1 × 10−5
4 × 10−8βx∗ [mm]βy∗ [mm]
η 0 (DDX) [rad]4.00.10.14

210.40.094

σE [%]
Chromaticity Wy

∼0.1
∼ 104

∼0.1
∼ 104

は、これら二冊の文章を元にしている。
冒頭でも紹介した ATF2 プロジェクトの目的をもう少(A1) コンパクトな最終収束系の実証(A2) 極小ビームサイズの維持・再現性の実証(B) ナノメートルレベルでのビーム軌道制御の実証(B1) ビーム軌道安定化技術の実証(B2) バンチ毎の軌道制御技術の確立

ビームを正確に輸送するためには、マグネットなどをである。

設計通りの位置に設置する必要がある。ビームが持つ性目的 (A) のためには、local chromaticity correction

質が ATF2 と ILC で似通っていたとしても、ATF2 ビーの原理に基づいたコンパクトな最終収束系を構成する電ムラインの設置に要求される位置精度が ILC よりも圧倒

磁石、高精度の電磁石用電源、磁石の位置を正確に制御的に緩い場合、ATF2 での設置に成功したとしても、ILCするムーバー、ビームが磁石内の所定の位置を通過して最終収束系を実証したことにはならない。図 3 に設置にいることを確認するビームポジションモニタなどを開発・要求される精度をまとめた [5]。横軸は四極磁石の名前を制作する必要がある。これらをコントロールする制御系示しており、左側が上流、右端がビーム焦点である。縦軸や、ビームサイズを測定するモニタも必須である。図 2はビームサイズが 2 % 大きくなってしまう許容誤差を示に予想されるビームサイズを示した。また、目的 (B) をしている。これらは、計算機によるシミュレーションの結3果である。図 3 左上の図は、ATF2 で使用する磁石の磁場

6

推進体制

強度は、ILC よりも精密に制御する必要があることを示

どの長さに最終収束系のコンポーネントを押し込んでい2004 年 11 月に ATF2 プロジェクトを ILC グループに提案した当初から、完全な国際協力によって進めてきた。ATF2 プロジェクトは、国際協力で施設を設計・建る。このために、ビームエネルギーの低さを考慮しても設するという意味でも、ILC のモデルになることを目指

磁場強度は相対的に高くなってしまっており、磁場強度のしている。機器の製作や施設の建設の段階から国際協力変化に対して過敏に反応するためである。右上の図を見を進めるために、方針の決定・作業の分担・予算の管理

ると、磁石の回転方向の許容誤差は、ILC と ATF2 で非などを行う組織が必要である。

している。ATF2 は、ATF Damping Ring と同じ KEKのアセンブリホール内に設置するので、わずか 40 m ほ常に似通っていることが分かる。下の二つの図は、最終ATF2 グループが推進体制の確立に頭を悩ませている

収束磁石 (QF1 と QD0) 以外の磁石においては、ATF2のと同時期に、ATF の国際協力体制をより明白にすべく、で許容される設置位置の誤差が ILC よりも大きいことをATF International Collaboration が刷新された [7]。こ示している。これは、ビーム焦点におけるビームサイズの際に、ATF の組織の中に ATF2 プロジェクトの代表は ATF2 の方が大きいためである。以上のように、許容者が指名され、ATF2 プロジェクトは ATF が掲げる主される誤差の量は誤差の種類によって異なるが、大まか要なプロジェクトの 一つとして定義された。ATF2 が提に言ってしまえば、ILC と ATF2 では似通っている。

案された当初は、ATF におけて進められている研究とは上で見たきたように、ATF2 と ILC では、同じような独立して検討されてきた側面もあった。今後は、ATF とビーム光学系を、同じような精度で設置し、同じような密接な関係を保ちつつ、ATF2 プロジェクト代表者の元品質のビームを通す。いわば、舞台も主人公も、大きさで国際協力で進めていくことになる。
国際的な「分業」も進んできた。非常に大まかには、こそ異なるが非常に似ている。従って、ATF2 は ILC 最ビーム光学系の設計はアメリカ、フィードバック系の設終収束系の実証の場になるのである。

計はヨーロッパ、マグネットとマグネットに取り付ける−110∆tilt, microradian

−210
∆K/K

10 4

ILC
ATF2−310−410

ビームポジションモニタはアジアが中心になって進めてILC
ATF210 3いる。しかしながら、テレビ会議、メーリングリストを10 2活用した交流も盛んで、ある分野に特定の地域だけが関わるということはない。また、定期的に国際ワークショッ

10 1プを開催し、詳細な設計を進めつつある。現在は、コス10 0
QM16QM15QM14QM13QM12QD10QD10QF9QF9QD8QF7B5QD6QF5QF5QD4QD4B2QD2B
QF3QD2A
B1QF1QD0QM16QM15QM14QM13QM12QD10QD10QF9QF9QD8QF7B5QD6QF5QF5QD4QD4B2QD2B
QF3QD2AB1QF1QD0∆Y, micron

101021010−110

究機関から協力を得られる見込みである。

ILC
ATF210をとりまとめている。幸いなことに、各地域の様々な研3ILC
ATF2∆Y, micron

10ト評価が終わり、世界各国の人的・物的・金銭的な協力

10102

ATF2 のホスト国である日本の研究者は、ビーム光学
1系の設計や電磁石・ビームポジションモニタの設計・製作はもちろんのこと、床工事や冷却水系統の設計まで、非0−210

常に広範な分野で活躍している。しかしながら、ATF2 プ−110−3ロジェクトにおいても、人的資源は非常に厳しいと言わQM16QM15QM14QM13QM12QD10QD10QF9SF6QF9QD8QF7QD6QF5SF5QF5QD4SD4QD4QD2B
QF3QD2ASF1QF1SD0
QD0QM16
QM15QM14QM13QM12QD10QD10QF9SF6QF9QD8QF7QD6QF5SF5QF5QD4SD4QD4QD2B
QF3QD2ASF1QF1SD0QD010ざるを得ない。ビームを診断するモニタやフィードバック装置などの新規開発項目が多いので、大学院生の皆さ

図 3: ATF2 (◦) と ILC 最終収束系 (∗) の磁石に対する許んでも興味を持って取り組めることと思う。私が属して容誤差。ビームサイズが 2% 増大してしまう誤差を示している大学の大学院生も、37 nm のビームサイズを測定すいる。Field strength error (左上)、Magnet tilt error (右るのに不可欠なビームサイズモニタ (新竹モニタ) の改良上)、Jitter position error (左下)、Static position errorに取り組んでいる。血の気の多い大学院生の皆さんの参(右下)。詳細については、文献 [5] を参照のこと。

加を心待ちにしている。

4

Japanese Fiscal year

JFY2005

JFY20062005
Activity
Beam operation

45678JFY2007

2006
9 10 11 12 1

ATFATF2345672007
89 10 11 12 1

ATF

2

ATF

Conventional Facilities

345624-Q

Magnet Support

test

5-Q, Bends (7), 6,8poles

support (44)2008
89 10 11 12 1

ATF

2

3

ATF2
ﬂoor

preparation

Magnets

7test

utility

Final doublet

shieldtest

moversAlignment
Power supplies
QBPM
IP-BPM
Shintake monitor (BSM)

prototypeprototypeproduction
production-2

prodction-1

prototype

test

test

test at KEK
support systemproduction

modiﬁcation to the half wavelength ; i.e. 532nm with precise phase control

Laserwire

R&D at ATF-extractionproduction

Other instrumentation
Feedforward & FONT4/5

R&D and production

test at KEK

VacuumCable plant
Control system
Installation
Funding Process

JFY2006

call for UK fund

JFY2007

JFY2008

図 4: ATF2 のスケジュール。

7

いことが甚だ残念である。2008 年には、様々な実験成果スケジュールを報告できると期待している。
今後のスケジュールを図 7 に示した [6]。既に四極磁石と四極磁石用のビームポジションモニタの制作が始ま

参考文献

り、大半が完成した。完成したものから順次試験を開始している。磁石や磁石用の電源、ビームポジションモニ[1] P.Raimondi and A.Seryi, Phys. Rev. Lett. 86,3779 (2001).

タ、真空機器などの主要な機器は 2006 年度も引き続き制作と試験を続け、2007 年半ばまでに完成する予定である。

[2] http://lcdev.kek.jp/ILCWS/,ATF2 のコンポーネントを設置する床は、非常に丈夫で安定している必要がある。このため、2007 年夏の ATF夏期シャットダウンの期間を利用して、アセンブリホール

http://lcdev.kek.jp/ILCWS/WG4.php[3] J.Urakawa et al., KEK Preprint 2002-138 (2003)の床強化工事を行う。工事終了後に四極磁石などの設置を開始し、「37 nm のビームサイズ」を達成するのに必要[4] http://lcdev.kek.jp/ILC-AsiaWG/

な機器を 2007 年中に設置する。2008 年初めには、最初[5] ATF2 Group, “ATF2 Proposal Vol.1”, CERNAB-2005-035, CLIC note 636, DESY 05-148, ILCAsia-2005-22, JAI-2005-002, KEK Report 2005-2,のビームを通すことを目指して作業を進めているところである。

SLAC-R-771, UT-ICEPP 05-02 (2005).

8[6] ATF2 Group, “ATF2 Proposal Vol.2”, CERN-おわりにAB-2006-004, DESY 06-001, ILC-Asia-2005-26,
JAI-2006-001, KEK Report 2005-9, SLAC-R-796,
UT-ICEPP 05-04 (2006).

ATF2 プロジェクトは、実行する組織を作り、コンポーネントの制作が始まった段階で、実際のデータが出てくるまでにはまだ時間がある。本報告ではデータに基づい[7] http://atf.kek.jp/collab/md/organization/

た話ができず、曖昧模糊とした内容に終始せざるを得な

5