高エネルギー加速器科学導入

高エネルギー加速器科学研究科共通専門科目 「高エネルギー加速器科学セミナーＩ」　高エネルギー加速器科学導入 • 12 April 2006 • 鎌田進

加速器・自然科学・人間生活 • 原子核・素粒子研究 • CP非保存 • ニュートリノ振動 • ヒッグス粒子 • 原子力エネルギー関連 • ミュオン核融合 • 核融合炉材研究 • 幅広い分野の自然科学研究 • 放射光利用 • 陽電子・ミュオン・中性子利用 • 医療・産業・加速器開発 • X線診断 • 粒子線ガン治療 • 非破壊検査 • レーザー加速量子ビームについて

原子核・素粒子研究 平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より

原子力エネルギー関連 平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より

巾広い分野の自然科学研究 平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より

医療・産業・加速器開発 平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−２表より

平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−３表より平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第２−３表より

加速器に関係したノーベル賞 平成１６年４月原子力委員会「加速器の現状と将来」第１−１表より

加速器前史 • RöntgenによるX線の発見 • Rutherfordの散乱実験

Wilhelm Conrad Röntgen • ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン（Wilhelm Conrad Röntgen、1845年3月27日 - 1923年2月10日）は、ドイツの物理学者。1895年にX線の発見を報告し、この功績により、1901年、第1回ノーベル物理学賞を受賞した。 • 1895年11月5日、ヴュルツブルク大学においてクルックス管を用いて陰極線の研究をしていたレントゲンは、シアン化白金バリウムを発光させる放射線の発生に偶然気付く。この放射線は陰極線のように磁気を受けても曲がらないことから、レントゲンは新しい放射線の存在を確信し、これをX線と名付けた。7週間の昼夜を分かたぬ実験の末、同年12月28日には早くも論文を発表する。後年この発見の時何を考えたか質問されたレントゲンは、「考えはしなかった。ただ実験をした。」と答えたという。 • X線の正体は1912年まで謎のままであったが、透過性の高いX線の発見はただちに医学に応用されたため（X線写真）、この功績に対し1901年最初のノーベル賞が贈られる。その後、科学の発展は万人に寄与すべきであると考えたレントゲンは、X線に関し特許等によって個人的に経済的利益を得ようとは一切せず、1923年ドイツの破滅的インフレの中、無一文でこの世を去る。彼はX線のことを｢レントゲン｣と呼ばれることを不快に思っていたらしい。 • 2004年には、原子番号111の元素に彼の名前にちなんだRöntgeniumという名称がつけられた。

Crookes tube

Röntgens Frau Anna Bertha Röntgen夫人の掌のＸ線像

Wilhelm Conrad Röntgen • ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン（Wilhelm Conrad Röntgen、1845年3月27日 - 1923年2月10日）は、ドイツの物理学者。1895年にX線の発見を報告し、この功績により、1901年、第1回ノーベル物理学賞を受賞した。 • 1895年11月5日、ヴュルツブルク大学においてクルックス管を用いて陰極線の研究をしていたレントゲンは、シアン化白金バリウムを発光させる放射線の発生に偶然気付く。この放射線は陰極線のように磁気を受けても曲がらないことから、レントゲンは新しい放射線の存在を確信し、これをX線と名付けた。7週間の昼夜を分かたぬ実験の末、同年12月28日には早くも論文を発表する。後年この発見の時何を考えたか質問されたレントゲンは、「考えはしなかった。ただ実験をした。」と答えたという。 • X線の正体は1912年まで謎のままであったが、透過性の高いX線の発見はただちに医学に応用されたため（X線写真）、この功績に対し1901年最初のノーベル賞が贈られる。その後、科学の発展は万人に寄与すべきであると考えたレントゲンは、X線に関し特許等によって個人的に経済的利益を得ようとは一切せず、1923年ドイツの破滅的インフレの中、無一文でこの世を去る。彼はX線のことを｢レントゲン｣と呼ばれることを不快に思っていたらしい。 • 2004年には、原子番号111の元素に彼の名前にちなんだRöntgeniumという名称がつけられた。

Ernest Rutherford • 1871年‐ニュージーランドで生まれる。1889年‐クライストチャーチのカンタベリー・カレッジへ進学。鉄の磁化に関する論文で理学の学士号を取る。1895年‐奨学金を得てキャヴェンディッシュ研究所の研究員となる。トムソンの指導のもと気体の電気伝導の研究を始める。 • 1898年‐ウランから二種類の放射線（α線とβ線）が出ていることを発見。1900年‐γ線が電磁波であることを示す。ソディと共同でラジウム、トリウム、アクチニウムの研究を始め、放射性元素が互いに移り変わると考えるようになる。「半減期」の概念を作る。これは後に岩石の年代測定に用いられるようになる。1902年‐元素が放射線を放出すると別の元素に変わるという放射性元素変換説を提唱。 • 1907年-ガイガーと共同でα粒子の計数に成功。これは後にガイガー‐ミュラー計数管として実用化される。 • 1908年-α線をガラス管に集め、放電スペクトルを調べることでα線がヘリウム原子核であることを発見。この年、「元素の崩壊および放射性物質の性質に関する研究」によりノーベル化学賞を受賞。 • 1911年‐ガイガー、マースデンとともにα線の散乱実験を行い、原子核を発見。この実験結果に基づいてラザフォードの原子模型を発表。 • 1919年‐α線を窒素原子に衝突させ、原子核の人工変換に成功。 • 1920年‐中性子の存在を予言。中性子は教え子のチャドウィックが1932年に発見し、それによりノーベル物理学賞を受賞している。また重水素の存在も予言。 • 1937年‐ロンドンで死去。66歳。 • 1997年‐原子番号104の元素がラザホージウム（Rutherfordium）と名づけられる。

Radium A = Po218

加速器の登場 • X線管　300KeV electron 1920~1930 • 1920年代後半　共鳴加速　by Rolf Wideroe • 静電加速器　Robert Van de Graaff1940年 4MeV到達　戦後もTandem, PeletronなどCockcroft and Walton1932年　原子核の人工変換 • Cyclotron 1930年代　Ernest Lawrence inspired by Wideroe’s workM.Stanley Livingston　経験的に垂直磁場半径と共に減少が必要Robert Wilson　軌道方程式の入った初の論文（１９３８）H.A.Bethe and M.E.RoseCyclotron加速エネルギーの相対論的限界　20MeV • Betatron2MeV電子加速 by Donald Kerst at the University of Illinois (as in the cyclotron case, Wideroe had a notebook sketch, but did nothing with it)Robert Serverと共に入射収束に関する論文Kerst expressed his focusing in terms of the relative (negative) magnetic-field gradient n = -r(dB/dr) /B and derived the condition 0 < n < 1, where 0 < n described the decrease of field with radius needed for vertical focusing and n < 1 described the necessity for the field to decrease at a less rapid rate than the centrifugal-force term, in order to have horizontal focusing. Kerst actually did much more in his 1941 paper, discussing injection, adiabatic damping and space-charge effects in detail. 20MeV X線用　鋳造物検査、医療。　後年、リニアックに取って代わられる。戦後　80MeV建設、1950年には究極の300MeV。　この技術的背景には当時、電磁誘導は高周波より簡単な技術であったことがある。 • Wideroe the first cyclic linear accelerator using a geometry that had been proposed by Ising

静電加速器 Robert Van de Graaff

1932年、Cockcroft & Walton, 600kV加速陽子によるLi標的衝撃でα粒子発生（初の人工核変換）。トンネル効果に助けられた by Gamov。 1919, 電圧増倍回路by Heinrich Greinacher John Cockcroft, Ernest Rutherford, and E.T.S. Walton.

Cyclotron

A pair of "Dee" electrodes with loops of coolant pipes on their surface at the Lawrence Hall of Science. Diagram of cyclotron operation from Lawrence's 1934 patent.

相対論効果による周回等時性の破れがCyclotron加速の限界相対論効果による周回等時性の破れがCyclotron加速の限界 • Synchrocyclotron • A synchrocyclotron is a cyclotron in which the frequency of the driving RF electric field is varied to compensate for the mass gain of the accelerated particles as their velocity begins to approach the speed of light. This is in contrast to the classical cyclotron, where the frequency was held constant. • Isochronous cyclotron • Isochronous cyclotrons maintain a constant RF driving frequency and compensate for the relativistic mass gain of the accelerated particles by increasing the magnetic field with radius. Isochronous cyclotrons are capable of producing much greater beam current than synchrocyclotrons.

Betatron Professor Donald Kerst built the world's first magnetic induction accelerator at the University of Illinois in 1940. After the new machine was referred to variously as a "rheotron," an "inductron," a "Super-X-Ray Machine," and a "cosmic ray machine" in early press releases, a departmental contest was held to name it. Kerst settled on "betatron." The original betatron is now on display at the Smithsonian Institution.

B median plane 偏向磁石のビーム収束 B ⦿ 偏向磁場には水平収束効果が有る垂直方向の収束は樽型磁場から

第２次世界大戦後の加速器の発展 • 位相安定原理からSynchrotron加速器Edwin McMillan (USA)synchrocyclotron and synchrotronVladimir Veksler (Soviet Union)synchrocyclotron, "phasetron" and synchrotron, "synchrophasetron," • Synchrotron放射光源A 70-MeV synchrotron at General Electric was used by John Blewett to show the existence of synchrotron radiation. • (弱収束)Synchrotron加速器の隆盛Cosmotron Bevatron ZGS SynchroPhasetron • 強収束原理のSynchrotron登場AGS CPS Fermi-MainRing KEK-PS SPS • 衝突型貯蔵リングADA ADONE DORIS SPEAR CESRISR SPPS (SSC) LHCPEP PETRA TRISTAN LEP PEPII.... KEKB • 線形加速器SLAC • 衝突型線形加速器SLC, (ILC) • 高ルミノシティ加速器素粒子反応の数を稼ぐ • 超伝導技術の展開 • Synchrotron放射光源の展開PF SPring-8 TESLA -FEL LCLS....

エドウィン・マクミラン(Edwin Mattison McMillan , 1907年9月18日 - 1991年9月7日)アメリカカリフォルニア州レドンド・ビーチ出身の化学者、物理学者。カリフォルニア工科大学で1928年に学士号を取得、1929年に修士号を得た。さらに1932年、プリンストン大学で博士号を取得した。1934年、カリフォルニア大学バークレー校のバークレー放射研究所の職員となった。1940年にサイクロトロンを用いてウラン239からネプツニウムを得た。第二次世界大戦においては、レーダーやソナー、核兵器の研究に携わる。1945年、サイクロトロンを改良したシンクロトロンの着想を得た。1946年、同校の教授。1947年、アメリカ科学アカデミーの会員となる。1951年、超ウラン元素の発見のかどでノーベル化学賞をグレン・シーボーグとともに得た。1954年、ローレンス放射研究所の副所長となり、1958年に所長となった。その後、その職を1973年まで続けることとなる。1968年から1971年までアメリカ科学アカデミーの議長となった。エル・セリートで没。

米国アルゴンヌ国立研究所に設置されたZero Gradient Synchrotronの水素泡箱で観測された史上初のニュートリノ（1970年11月13日）。ニュートリノは電荷を持たず泡箱に軌跡を残さない。写真右手中央の黒い影の右側で三つの軌跡が突然始っている。この位置でニュートリノが陽子に衝突した。同時に生成したミュー粒子は非常に見分けにくいがほぼ直線状に軌跡を残している。短い軌跡は陽子。

強収束原理の発見Alternating Gradient Focusing CosmotronとAGSの磁石断面

Cosmotron 3.3GeV to AGS 33GeV

加速器における重要な物理概念 • 保存力としての静電場 • Cyclotron等時性と相対論的限界 • ビーム収束 • 端部効果とAG focusing • ビームのエミッタンス • Liouvilleの定理 • 多重入射 • アディアバティック減衰 • 平衡エミッタンス • ビーム冷却 • シンクロトロン放射 • 放射減衰と量子励起 • コヒーレント放射 • 集団的ビーム不安定現象 • 空間電荷効果 • 真空壁ビーム相互作用 • ビームビーム相互作用

いま重要な加速器の例 • 陽子シンクロトロン　 • J-PARC • リング型放射光源　 • PF、SPring-8 • 貯蔵衝突型加速器　 • KEKB、LHC • 線形衝突型加速器　 • ILC • 線形加速器放射光源 • ERL、X線-FEL

素粒子反応の新天地を拓く能力の目安Livingston chart 衝突型加速器は固定標的加速器のエネルギーに換算

コライダー加速器のフロンティア 生出勝宣物理学会ビーム物理領域創成記念シンポ講演より

放射光源性能の指標は輝度(Brightness) APS Webページより

輝度は加速器だけでは決まらない挿入光源の役割輝度は加速器だけでは決まらない挿入光源の役割 SPring-8 Webページより

加速器計画に纏わる社会学的側面学問分野推進の動機加速器計画に纏わる社会学的側面学問分野推進の動機 • Manhattan計画の論功行賞　 • 米国における高エネルギー物理学の隆盛 • 原爆研究との関連 • 米国占領軍による理研、阪大のサイクロトロン破壊 • 欧州復活からEUへ • CERN創設 • 冷戦構造 • 米ソ加速器建設競争 • 冷戦終結とSSC中止 • 中東和平とSesame計画 • 学問研究分野の相互協力　 • TRISTAN計画とフォトンファクトリー　 • Linear ColliderとＸ線FEL

参考文献 • Particle Accelerators: Brief History, M.S.Livingston, Harvard 1968 • O CAMELOT ! A Memoir of the MURA Years, F.T.Cole 1994 • Particle Accelerators, M.S.Livingston & J.P.Blewett, McGraw-Hill 1962 • Theory of Cyclic Accelerators, A.A.Kolomensky & A.N.Lebedev, North-Holland 1962

高エネルギー加速器科学導入