粒子加速器

粒子加速器は、電子や陽子といった素粒子を高いエネルギーまで加速するための装置です。電子と陽子は、それぞれ1897年にトムソン、1919年にラザフォードによって発見されました。

1932年には、宇宙線の研究から陽電子が発見され、その後ミュー粒子やパイ粒子をはじめとする多くの素粒子が次々と見つかりました。こうして素粒子物理学、すなわち高エネルギー物理学が確立されていきました。1950年代半ば以降、より大型の加速器が建設され、「新しい」より重い粒子が次々に生成されるようになりました。粒子加速器の発展により、物質・エネルギー・空間・時間を支配する基本粒子と物理法則について、より深い理解が可能になったのです。また、原子核物理学者や宇宙物理学者は、電子を取り除いた原子核そのものを加速したビームを用いて、原子核の構造、相互作用、性質を調べることができます。さらに、ビッグバン直後の極限環境に類似した、非常に高温・高密度の凝縮物質を研究することもできます。

スティーヴン・ホーキングは、粒子加速器を「私たちが手にしたものの中で、もっとも時間旅行に近い存在」と表現したことがあります。現在、加速器は世界各地で広く利用され、多様な分野で活躍しています。例えば、医療診断への応用、腫瘍を破壊する粒子ビームの生成、食品由来の細菌を除去して食中毒を防ぐ技術、半導体製造に向けたより高性能な材料開発などが挙げられます。さらに、貨物検査や核兵器管理、材料評価など、国家安全保障の分野でも重要な役割を果たしています。

なぜ粒子加速器は核・素粒子物理学にとって重要なのか？

原子のスケール (約 10⁻¹⁰ m)の物質を調べるには、数千 eV 程度のエネルギーが必要です。電子ボルト (eV)は、粒子が 1 ボルトの電位差で加速されたときに得るエネルギーを示す単位です。一方、原子核のスケールでは、MeV (10⁶ eV)領域のエネルギーが必要になります。さらに、物質を構成する基本要素の微細構造を調べるためには、一般に1 GeV (10⁹ eV)を超えるエネルギーが求められます。

また、素粒子物理学で扱う多くの対象は、自然界に自由な状態で存在することはほとんどありません。そのため、研究対象となる粒子の多くは実験室で人工的に生成する必要があります。粒子加速器での衝突は、アインシュタインの有名な式 E = mc² に従い、質量 m の粒子を生成するためにエネルギー E を投入するというプロセスによって進行します。

興味深い粒子の多くは非常に重いため、それらを生成するには数 GeV 以上の衝突エネルギーが必要となります。標準模型を検証し、ヒッグス粒子を発見するとともに、標準模型を超える新しい理論を探求するためには、数十 TeV (10¹² eV)に達するエネルギーが必要でした。

施設と実験

粒子加速器は、電場を利用して粒子ビームの速度とエネルギーを高め、磁場によってその進行方向を制御・集束します。

粒子ビームは、金属製のビームパイプの内部を真空状態で通過します。真空は、空気や微粒子の混入を防ぎ、ビームが乱されずに移動できる環境を維持するために不可欠です。

加速器には大きく静電加速器と電磁加速器の2種類があります。静電加速器は静電場を用いて粒子を加速するもので、代表的な装置としてCockcroft–Walton型加速器やVan de Graaff型加速器が挙げられます。日常生活に身近な例では、古いテレビに使われていたブラウン管 (CRT)も同じ原理に基づいており、静電加速器の仕組みを理解する助けとなります。静電加速器で達成できる粒子の運動エネルギーは加速電圧に依存し、電気的な絶縁破壊によって上限が決まります。

一方、電磁加速器では電磁場を利用して粒子を加速します。このカテゴリには円形加速器と直線加速器が含まれます。円形加速器では、高周波電場 (RF電場)が一般的に用いられ、粒子がこの領域を何度も通過するたびに加速されます。粒子は磁場中を進むため軌道が曲げられ、同じ加速構造を繰り返し利用することで非常に高いエネルギーを得ることができます。

直線加速器 (LINAC：LINear ACcelerator) は粒子を一直線の軌道に沿って加速する装置です。通常、可変電場を持つ多数の共振空洞 (セル)の組み合わせで構成されます。加速過程で粒子の速度が上昇するため、セルの長さは粒子が電場と同期を保てるよう調整される必要があります。この同期は加速の基本条件です。LINACの主な利点は、高エネルギーかつ高強度で、エネルギー幅が小さく、ビーム径の細い高品質な荷電粒子ビームを生成できる点にあります。また、入射・取り出しが比較的容易であることも特徴です。

加速器の種類によって到達可能なエネルギーや用途は異なります。また、複数種類の加速器を段階的に組み合わせて使用するカスケード方式が採用される場合もあります。

これは、縦軸に中性子数 (N)、横軸に陽子数 (Z)をとった二次元グラフです。安定同位体は、セグレ図と呼ばれるこの図の中で「安定の谷」と呼ばれる領域に分布します。原子番号が20を超える原子核では、陽子数と中性子数が等しい安定同位体は存在しません。より大きい原子番号の核では、安定性を保つために中性子が過剰である必要があります。

同位体の安定性は、その結合エネルギーに基づいています。結合エネルギーとは、原子核を構成する核子を結びつけているエネルギーのことです。質量数 (A = 核子数)が非常に小さい、あるいは非常に大きい原子核では、核子あたりの結合エネルギーが小さく、安定性が低くなります。核子あたりの結合エネルギーが小さいほど、原子核を構成核子へ分離しやすくなるためです。

魔法数は安定線上の原子核や、知られている多くの不安定核において確立された概念です。

原子核の性質を決定するうえで最も重要なのは、核子数と中性子数Nと陽子数Zの比 (N/Z)です。これらの量が極端になると、原子核の存在限界が定まります。

新しい元素を作り出すには、既存の原子核に中性子や陽子を加えていきます。安定線上の核に中性子を順に追加していくと、最後に結合される中性子の結合エネルギーが徐々に減少し、最終的にはゼロとなって中性子放出によって崩壊します。この現象が起きる位置をセグレ図上では中性子ドリップラインと呼びます。中性子ドリップラインは、安定の谷の外側に位置し、反対側には陽子ドリップラインが存在します。

中性子ドリップラインの位置が明確に分かっているのは、質量数が約 30 amu (原子質量単位、核子1個の質量に相当)までの核に限られています。そのため、大きな中性子過剰を持つ中性子過剰核 (neutron-rich nuclei)の研究は、中性子ドリップラインの位置を特定すること、そして特に核子間相互作用、核密度、核サイズが極端なN/Z比でどのように変化するかを解明することを主な目的としています。

これらの変化は、原子核の対称性の変化、新たな魔法数の出現、さらには新しい励起モードの発現につながると考えられています。

SPESは、INFNが推進する第2世代の放射性イオンビーム施設の開発プロジェクトです。この施設は現在、イタリア・レニャーロ国立研究所 (LNL)で建設段階にあります。SPESは“Selective Production of Exotic Species”の略であり、核構造、反応ダイナミクス、さらには医療・生物・材料科学などの学際研究の最先端に向けて、高強度かつ高品質の中性子過剰核ビームを提供することを目的としています。

この施設はISOL (Isotope Separation On-Line)方式を採用しています。この方式では、ターゲット、イオン源、そして異なる同位体を分離する電磁質量分析器が直列に接続されます。反応生成物が装置内で減速・停止し、その場で分離・抽出されるとき、このシステムは「オンライン」で動作していると呼ばれます。

プロセスは、40 MeV を超えるエネルギーと 200 µAのビーム電流を持つサイクロトロン加速器から供給される陽子ビームから始まります。ターゲットでは、ウラン核分裂によって毎秒10¹³回規模の核分裂反応が発生し、中性子過剰の放射性イオンが生成されます。これらの核種は、ALPI超伝導LINACにより核子あたり10 MeV以上のエネルギーまで再加速されます。質量数A = 130 amu付近の核種については、二次ターゲット上で毎秒10⁸ 粒子 (pps)が期待されています。NEDA (NEutron Detector Array) は最新世代の中性子シンチレーション検出器アレイであり、SPESを含む欧州の加速器施設で、安定核および放射性核ビームを用いた実験に使用される予定です。NEDAが想定する実験の主な目的は、中性子過剰核の準位密度および核分裂ダイナミクスの測定です。NEDAの最も重要な特徴として、まず1〜20 MeVのエネルギー領域における高い中性子検出効率が挙げられます。また、優れた中性子・ガンマ線弁別能力を有しており、高いガンマ線バックグラウンド環境や高計数率条件下でも実験を可能にします。さらに、中性子多重度が1を超える事象、すなわち複数中性子が放出される事象を識別できる分解能を備えています。加えて、ターゲット周囲に検出器を柔軟に配置し、他の装置と組み合わせることで、幾何学的検出効率とエネルギー分解能を最大化できるモジュール設計が採用されています。NEDAの幾何学設計の基礎として正六角形が選ばれたのは、検出器同士のクラスタ化や円形光電子増倍管 (PMT)との結合に最も適した形状であり、PMTによって覆われない領域を最小化できるためです。NEDAの検出器は一様な六角柱構造をもち、深さ20 cm、側面長8.1 cmの寸法で、最大10 MeVのエネルギーをもつ中性子の検出に適しています。このサイズは、フラットウィンドウを備えた市販最大クラスである 5インチ径PMTに適合するよう設計されています。1基あたりの体積は約3リットルで、内部にはEJ301液体シンチレータが充填されます。外壁の厚さは3 mmであり、検出器として十分な機械的強度を確保しています。なお、NEDAに使用されているPMTはHamamatsu R11833-100-03です。

NEDAアレイの設計を選定する際には、幾何学的効率、事象のTOF (飛行時間)弁別を最適化するためのターゲットから検出器までの距離、そしてアレイの細分性を考慮することが重要となります。

NWは、最初期に開発された中性子検出器の補助アレイのひとつです。NEDAの初期ユニットは、全体の構築が完了する前に利用可能となり、既存の旧型検出器と組み合わせて使用されました。

フランス・GANILにおけるAGATAキャンペーンに向けて、2種類のアレイ構成が提案されました。AGATA (Advanced Gamma Tracking Array)は、ゲルマニウム検出器から構成される新世代4πスペクトロメータです。構成 (a)は、より少ないNEDA検出器数で広い立体角をカバーすることが可能であり、一方の構成 (b)は、前方角度領域でわずかに高い細分性を備えています。

このAGATA (ターゲットから145 mm)、NEDA (54セル、510 mm)、NW (42セル、650 mm)から構成される検出システムは、融合・蒸発反応によって生成される希少な陽子過剰蒸発残留核を識別するために使用されました。

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