CERNパーティクルアクセラレータとは何ですか？

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宇宙が基づいている基本的なビルディングブロックを観察することが可能だったらどうでしょうか？問題ない！必要なのは、大規模な粒子加速器、2つの国の境界を越えるのに十分な大きさの地下施設、そして粒子を互いに消滅させるポイントまで加速する能力–エネルギーと質量を放出し、その後シリーズで観察できます特別なモニターの。

幸運にも、そのような施設はすでに存在しており、CERNラージハードロンコライダー（LHC）としても知られ、CERNパーティクルアクセラレータとしても知られています。周長約27キロメートルで、スイスのジュネーブ近くの水面下にあり、世界最大の粒子加速器です。そしてCERNがスイッチを入れたので、LHCは宇宙のより深い謎にいくつかの重大な光を投げかけました。

目的：

コライダーは、定義により、粒子の2つの方向付けられたビームに依存する粒子加速器の一種です。これらの装置では、粒子が非常に高い運動エネルギーまで加速され、次に互いに衝突させられます。次に、これらの衝突の副産物を科学者が分析し、亜原子世界の構造とそれを支配する法則を確認します。

コライダーの目的は、高エネルギーの衝突の種類をシミュレートして、本来なら存在しないはずの粒子の副産物を生成することです。さらに、これらの種類の粒子の副産物は非常に短い時間の後に減衰するため、通常の条件下では研究が困難または不可能に近いものです。

ハドロンという用語は、粒子の相互作用を支配する4つの力の1つである強い核力（他は弱い核力、電磁気力、重力）によって保持されるクォークで構成される複合粒子を指します。最もよく知られているハドロンは、陽子と中性子であるバリオンですが、1つのクォークと1つのアンチクォークで構成される中間子と不安定な粒子も含まれます。

設計：

LHCは、陽子または鉛イオンの2つの「ハドロン」ビームを、その円形装置の周りで反対方向に加速することによって動作します。ハドロンは、非常に高いレベルのエネルギーを達成した後で衝突し、その結果得られた粒子が分析および研究されます。世界最大の高エネルギー加速器であり、周囲27 km（17マイル）、深さ50〜175 m（164〜574フィート）です。

コライダーを収容するトンネルの幅は3.8メートル（12フィート）で、以前は大型電子陽電子コライダー（1989年から2000年に稼働）を収容するために使用されていました。このトンネルには、4つのポイントで交差する2つの隣接する平行ビームラインが含まれ、それぞれがリングの周りを反対方向に進むビームを含みます。ビームは1,232個の双極子磁石によって制御されますが、392個の四重極磁石は、ビームの焦点を合わせるために使用されます。

合計で約10,000個の超電導磁石が使用され、動作温度は-271.25°C（-456.25°F）（絶対零度を少し下回る）に保たれ、約96トンの液体ヘリウム4が使用されます。これにより、LHCは世界最大の極低温施設にもなります。

陽子衝突を行う場合、プロセスは線形粒子加速器（LINAC 2）から始まります。 LINAC 2が陽子のエネルギーを増加させた後、これらの粒子は陽子シンクロトロンブースター（PSB）に注入され、高速に加速します。

次に、それらは陽子シンクロトロン（PS）に注入され、次にスーパー陽子シンクロトロン（SPS）に注入され、そこでさらに加速されてからメインアクセラレータに注入されます。そこに到達すると、陽子の束が蓄積され、20分間にわたってピークエネルギーまで加速されます。最後に、それらは5〜24時間循環し、その間に4つの交差点で衝突が発生します。

実行時間が短い場合、重イオン衝突（通常は鉛イオン）がプログラムに含まれます。鉛イオンは最初に線形加速器LINAC 3によって加速され、低エネルギーイオンリング（LEIR）がイオン貯蔵および冷却ユニットとして使用されます。次に、イオンはPSとSPSによってさらに加速されてから、LHCリングに注入されます。

陽子と鉛イオンが衝突している間に、7つの検出器を使用して副産物をスキャンします。これらには、トロイダルLHC ApparatuS（ATLAS）実験とコンパクトミュオンソレノイド（CMS）が含まれます。これらは両方とも、さまざまな種類の亜原子粒子を検出するために設計された汎用検出器です。

次に、より具体的なA Large Ion Collider Experiment（ALICE）およびLarge Hadron Collider beauty（LHCb）検出器があります。 ALICEは極度のエネルギー密度で強く相互作用する物質を研究する重イオン検出器ですが、LHCbは粒子の崩壊を記録し、それらの崩壊の生成物からbおよび反bクォークをフィルターにかけようとします。

次に、3つの小型で高度に専門化された検出器があります。TOTal弾性および回折断面測定（TOTEM）実験は、全断面、弾性散乱、および回折プロセスを測定します。 Monopole＆Exotics Detector（MoEDAL）。これは、磁気単極子または巨大な（疑似）安定荷電粒子を検索します。宇宙粒子（別名宇宙線）を監視するラージハドロンコライダーフォワード（LHCf）。

操作の歴史：

CERNは、ConseilEuropéenpour la RechercheNucléaire（英語の欧州核研究評議会）の略で、1954年9月29日、西ヨーロッパの12か国によって設立されました。評議会の主な目的は、核研究が行われるジュネーブに素粒子物理学研究所の設立を監督することでした。

研究所はその設立後まもなく、これを超えて高エネルギー物理学の研究も開始しました。また、フランス、スイス、ドイツ、ベルギー、オランダ、デンマーク、ノルウェー、スウェーデン、フィンランド、スペイン、ポルトガル、ギリシャ、イタリア、英国、ポーランド、ハンガリー、チェコ共和国、スロバキアの20の欧州加盟国を含むように成長しました。、ブルガリア、イスラエル。

LHCの建設は1995年に承認され、当初は2005年までに完了する予定でした。しかし、コスト超過、予算削減、およびさまざまなエンジニアリングの問題により、完了日は2007年4月になりました。LHCは最初に2008年9月10日にオンラインになり、しかし、最初のテストは、コライダーの主要コンポーネント（超伝導マグネットなど）の多くに大きな損傷を与えた事故の後、14か月間延期されました。

2009年11月20日に、LHCがオンラインに戻り、その最初の実行が2010年から2013年に実行されました。この実行中、LHCは4テラエレクトロボルト（4 TeV）および2.76 TeVのエネルギーで陽子と鉛核の2つの対向する粒子ビームに衝突しました。それぞれ核子。 LHCの主な目的は、ビッグバンの直後に高エネルギー粒子間の衝突が発生していた状態を再現することです。

主な発見：

最初の実行中、LHCの発見には、2012年7月4日に発表されたヒッグスボソンが長く求められていると思われる粒子が含まれていました。他の粒子に質量を与えるこの粒子は、物理学の標準モデルの重要な部分です。その高い質量ととらえどころのない性質のために、この粒子の存在は理論のみに基づいており、以前には観測されていませんでした。

ヒッグスボソンの発見とLHCの継続的な運用により、研究者は標準モデルを超えて物理学を調査することができました。これには、超対称性理論に関するテストが含まれています。結果は、特定のタイプの粒子崩壊が、ある種の超対称性の予測よりも一般的ではないが、それでも他のバージョンの超対称性理論の予測と一致する可能性があることを示しています。

2011年5月、クォークグルオンプラズマ（理論的にはブラックホール以外の最も密度の高い物質）がLHCで生成されたと報告されています。 2014年11月19日、LHCb実験は、2つの新しい重い亜原子粒子の発見を発表しました。どちらも、1つの底、1つの下、および1つの奇妙なクォークで構成されるバリオンでした。 LHCbのコラボレーションでは、最初の実行中に複数のエキゾチックハドロン、おそらくペンタクォークまたはテトラクォークも観察されました。

2015年以降、LHCは2回目の実行を行っています。その間、ヒッグスボソンの検出を確認し、超対称性理論と高エネルギーレベルでの外来粒子の存在をさらに調査することに専念してきました。

今後数年間で、LHCはリターンの低下に悩まされないように一連のアップグレードを予定しています。 2017-18年に、LHCは衝突エネルギーを14 TeVに上げるアップグレードを受ける予定です。さらに、2022年以降、ATLAS検出器は、高輝度LHCとして知られるまれなプロセスを検出する可能性を高めるように設計されたアップグレードを受け取ることになります。

LHCアクセラレータリサーチプログラム（LARP）として知られている共同研究の取り組みは、LHCをさらにアップグレードする方法について現在研究を行っています。これらの中で最も重要なのは、ビーム電流の増加と2つの高輝度相互作用領域の変更、およびATLASとCMSの検出器です。

LHCが今から最終的に電源をオフにするまでの間にLHCが何を発見するのか誰が知っていますか？運がよければ、宇宙のより深い謎、空間と時間の深い構造、量子力学と一般相対性理論の交点、物質と反物質の関係、そして「暗黒物質」の存在に光を当てることができます。」。

スペースマガジンのCERNとLHCに関する多くの記事を書いてきました。ヒッグスボソンとは何ですか？CERNデータが新しい粒子を示さなかった後、Hypeマシンが収縮し、BICEP2が繰り返し発生しますか？研究者たちは疑問にヒッグスボソンの発見を置き、2つの新しい素粒子が発見された、新しい粒子は発表されようとしているのだろうか？物理学者はたぶん、たぶん、第5フォースオブネイチャーの発見を確認する。

大型ハドロン衝突型加速器の詳細については、LHCホームページをご覧ください。ここにCERN Webサイトへのリンクがあります。

天文学キャストは、主題についていくつかのエピソードを持っています。ここで聞いてください、エピソード69：大型ハドロン衝突型加速器とヒッグスボソンの探索、およびエピソード392：標準モデル-はじめに。

出典：