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Collider

リング

7つのリング。リング1は本物のLHC、リング2はCERNの実際の研究に基づき、リング3からは未来のフィクションです。

リング

リング規模開始エネルギーエネルギー上限コスト獲得量新メカニクス新しい粒子
1LHCリング周長 27 km–20 TeV–×1–γ … t
2FCCリング周長 91 km375.8 GeV100 TeV5 ヒッグス×1.6最初からルミノシティ1
3大陸リング周長 3,000 km1.653 TeV2 PeV12 ヒッグス×2.6ダブルビーム:衝突10回に1回が2倍
4地球リング周長 40,000 km24.97 TeV200 PeV35 ヒッグス×4.1自動運転中もコンボ継続
5月軌道リング周長 240万 km40.92 TeV20 EeV200 ヒッグス×6.6アノマリーイベント(タイムブースト、大量ドロップ)
6太陽軌道リング周長 9億4,000万 km109.8 TeV2 ZeV230 ヒッグス×10.5第2の検出器:テンポ2倍
7太陽圏リング太陽系の外140.6 TeV無制限380 ヒッグス×16.8すべての粒子を共鳴に同調可能

リングの拡張

拡張にはヒッグス粒子が必要です。データ、強化、粒子の手持ちはリセットされますが、図鑑とミシックの粒子は残ります。獲得量はリングごとに永続的に×1.6になり、エネルギー上限が上がって、新しいリングの粒子が加わります。リングごとに、新メカニクスがひとつずつ加わります。

クォーク教授

“新メカニクス:拡張後はルミノシティがレベル1から始まり、ビームは最初から自動で衝突します。拡張でデータと強化はリセットされますが、図鑑とミシックの発見は残り、獲得量は永続的に ×1.6 になります。”

前段加速器と入射

新しいリングは、ゼロからは始まりません。前のリングが、完成した状態で固定された前段加速器として内側に残り、新しいリングで通常到達するエネルギーのおよそ15分の1でビームを入射します。実際のSPS(450 GeV)がLHC(7 TeV)にビームを送るのと同じです。そのあと、ビームレベルを上げるたびに、新しいリングがさらに作り上げられていきます。

大型加速器はゼロからは始まりません。小さなリングがまずビームを入射エネルギーまで加速します。SPSは450 GeVの陽子をLHCに送り込み、LHCはそれを7 TeVまで、およそ15倍に引き上げます。FCCではLHCが約3.3 TeVの前段加速器となり、新しいリングは約50 TeVに達します。SPSはLHCの円の内側、Meyrinのあたりの端に位置し、2本の短い輸送ライン(TI 2とTI 8)がLHCの2本のビームを接線方向に、それぞれ逆向きに入射します。FCC計画でも、LHCは同じように91 kmリングの端に置かれます。

クォーク教授

“旧リング(LHCリング)は前段加速器になります。CERNでSPSがLHCに450 GeVでビームを送り込むのと同じです。そのため、ビームは375.8 GeVから始まります。このリングが到達できるエネルギーのおよそ15分の1です。新しいリングは、ビームレベルを上げるたびに目に見えて建設が進みます。”

リング1の前段加速器チェーン

  1. 1

    線形加速器(Linac)

    加速器チェーンの最初で、Linac 4 が負の水素イオンを 160 MeV まで加速します。ブースターへの入射時に電子がはぎ取られ、陽子が残ります。まっすぐな加速器には偏向磁石が要らないので、シンクロトロン放射光も出ません。

  2. 2

    陽子シンクロトロン・ブースター

    ブースターは周長 157 m のリングを4段重ねたものです。陽子を 2 GeV まで上げ、次のシンクロトロンを満たせるようにバンチをまとめます。

  3. 3

    陽子シンクロトロン(PS)

    PSは1959年に始動しました。周長 628 m、陽子を最大 26 GeV まで加速し、今もCERNの分配拠点です。LHCが後で必要とする 25 ns 間隔のバンチを作ります。

  4. 4

    スーパー陽子シンクロトロン(SPS)

    SPSは周長7キロメートル近くあり、陽子を 450 GeV まで加速してLHCに送り込みます。1983年には陽子・反陽子衝突型加速器として運転され、WボソンとZボソンを発見しました。2本の輸送ラインがビームを接線方向からメインリングへ導きます。

検出器のシェルが成長

衝突点の周りの検出器は、シェルを重ねて作られています。サブ検出器のレベルが上がるたびに、目に見える素材が加わります。内側の崩壊点の層から、外側のミュー粒子検出器まで。

  • ビームパイプと衝突点

    中心には超高真空(約 10⁻¹⁰ mbar)のビームパイプが通り、陽子がガス原子で散乱しないようにしています。検出器の部分は、粒子をほとんど減速させないベリリウム製です。ここで逆向きに回るバンチが交差しますが、実際に衝突する陽子はごく一部です。

    すべての衝突はここで起きます。ビームエネルギーで、どの粒子が生まれるかが決まります。

  • 崩壊点検出器

    最も内側のシリコンピクセル層で、衝突点からわずか数センチのところにあります。飛跡を数マイクロメートルの精度で測り、その出発点を突き止めます。Bハドロンやタウ粒子などは、1ミリメートル未満から数ミリメートル飛んでから崩壊します。ずれた2次崩壊点がその目印です。

    崩壊点がずれる粒子をブーストします:τ、J/ψ、Bハドロン、トップ、LQ、N。

  • 飛跡検出器

    シリコンのストリップとピクセルが、荷電粒子の飛行経路を多くの点で測ります。磁場(CMS 3.8 T、ATLAS 2 T)が経路を曲げ、その半径から運動量がわかります。p ≈ 0.3 · B · r(p は GeV/c、B はテスラ、r はメートル)。曲がる向きで電荷の符号がわかります。中性粒子は飛跡を残しません。

    飛跡を残す荷電粒子をブーストします:π、K、p、W、重い荷電粒子。

  • ソレノイド(磁石コイル)

    超伝導コイルがビーム軸に平行な磁場を作ります(CMS 3.8 T、ATLAS 2 T)。荷電粒子はその中で弧を描き、運動量が大きいほど経路はまっすぐになります。液体ヘリウムで約 4.5 K まで冷やされています。

    コイルは「磁場」の強化で大きくなります。この強化はリングの双極磁石も強くします。

  • 電磁カロリメータ

    電子と光子は高密度の物質中で電子・陽電子・光子のシャワーを起こし、すべてのエネルギーが吸収されて測定されます(ATLAS:鉛と液体アルゴン、CMS:タングステン酸鉛結晶)。2012年のヒッグス粒子の発見も、2つの光子への崩壊によるものでした。

    電子、光子、ヒッグス粒子など、ここにエネルギーを落とす粒子をブーストします。

  • ハドロンカロリメータ

    パイ中間子、陽子、中性子などのハドロンは、鋼鉄(ATLAS)や真鍮(CMS)の中で強い相互作用によるカスケードを起こします。こうしてカロリメータはジェット全体のエネルギーを測ります。ニュートリノとミュー粒子はほとんど気づかれずに通り抜けます。

    「カロリメータ」強化の一部です。レベル3からハドロンの殻が加わります。

  • ミュー粒子検出器

    ミュー粒子は電子の約200倍重く、放射をあまり出さないので、手前のものをすべて突き抜けます。だからドリフトチューブやチェンバーは外側にあります。そこでまだ信号を出すのは、ほぼ間違いなくミュー粒子です。Z → μμ のような崩壊が特にきれいに見つかるのはそのためです。

    ミュー粒子、Z、Z′、A′をブーストします。レベルが上がると外側のステーションが増え、検出器が大きくなります。

  • トロイド磁石

    ATLASにはビーム軸を囲む8つの大きなトロイドコイルがあります。ミュー粒子検出器の中に第2のリング状磁場を作り、ミュー粒子をもう一度曲げます。そのため運動量を飛跡検出器とは独立に測れます。その結果、検出器は高さ約 25 m、長さ約 44 m になっています。

    8つのコイルは、ミュー粒子検出器のレベル4で現れます。

検出器のシェルが成長

天体

  1. LHCリング

    リング1 · 周長 27 km

    LHCリング

    ジュネーブ盆地

    LHCはスイスとフランスの国境、地下50〜175メートルにあります。北西にジュラ山脈、南東にアルプス、そしてレマン湖。全長 26.7 km のトンネルは、もともと1989年に始動した電子・陽電子リングLEPのために掘られたものです。

    リング1はLHCリングで、周長 27 km、エネルギー上限は 20 TeV。FCCリングへの拡張はリングタブにあります。

    CERNの敷地. CERNは1954年に設立された、世界最大の素粒子物理学研究所です。敷地には大型実験(ATLAS、CMS、ALICE、LHCb)のホールがあり、その検出器がリングの4か所でビームを囲んでいます。

  2. FCCリング

    リング2 · 周長 91 km

    FCCリング

    未来円形衝突型加速器(FCC)

    FCCは、CERNで検討されている全長約 91 km のリングトンネルの計画です。まず電子・陽電子衝突型加速器(FCC-ee、ヒッグス粒子とZボソンの工場)として、後に陽子用(FCC-hh、重心系エネルギー約 85〜100 TeV)として使われます。まだ承認はされていません。

    リング2:レマン湖がリングの内側に入り、エネルギー上限は 100 TeV に上がり、ルミノシティはレベル1から始まります。

  3. 大陸リング

    リング3 · 周長 3,000 km

    大陸リング

    未来のフィクション · リングのみ、天体は実在

    ヨーロッパ横断の大陸リング

    磁石の強さが同じなら、到達できるエネルギーは半径に比例して大きくなります(E ≈ 0.3 · B · r)。周長 91 km ではなく 3000 km のリングなら、同じ磁石でFCCの30倍以上、つまり数 PeV に届きます。そんなものを作っている人はいません。

    リング3:ダブルビーム。衝突10回に1回が2倍にカウントされます。このリングは未来のフィクションです。

  4. 地球リング

    リング4 · 周長 40,000 km

    地球リング

    未来のフィクション · リングのみ、天体は実在

    地球

    1954年、エンリコ・フェルミは、2 T の磁石で地球を一周する加速器リングなら陽子を約 5000 TeV まで加速できると計算しました。計画ではなく思考実験です。比較すると、最高エネルギーの宇宙線は 10²⁰ eV を超え、LHCの数百万倍に達します。

    リング4は地球を囲み(40,000 km)、リング5は月の軌道として地球を周回し、リング6からは地球はリング上の点になります。これらのリングは未来のフィクションです。

  5. 月軌道リング

    リング5 · 周長 240万 km

    月軌道リング

    未来のフィクション · リングのみ、天体は実在

    月

    月は地球から約384,000 km のところを、27日あまりで1周しています。いつも同じ面を地球に向け(潮汐ロック)、潮の満ち引きを起こします。その軌道上のリングは、周長約240万 km になります。

    リング5:アノマリーイベント。タップでタイムブーストか大量ドロップ。このリングは未来のフィクションです。

  6. 太陽軌道リング

    リング6 · 周長 9億4,000万 km

    太陽軌道リング

    未来のフィクション · リングのみ、天体は実在

    太陽

    太陽は核融合炉です。中心部では約1500万 K で水素がヘリウムに融合しています。太陽風(秒速約 400 km の陽子)とニュートリノを放ち、地球の1平方センチメートルあたり毎秒約 6 · 10¹⁰ 個のニュートリノが届きますが、そのほぼすべてが素通りします。

    リング6:第2の検出器。1周に交差が2回になり、テンポが半分になります。このリングは未来のフィクションです。

  7. 太陽圏リング

    リング7 · 太陽系の外

    太陽圏リング

    未来のフィクション · リングのみ、天体は実在

    太陽圏

    太陽風は、太陽のまわりの星間ガスの中に泡を吹き込んでいます。約85〜95天文単位の末端衝撃波面で減速し、約120天文単位のヘリオポーズで星間空間と隔てられます。ボイジャー1号は2012年にそこを越えました。この泡は宇宙線の一部を遮っています。

    リング7:質量をもつすべての粒子に、同調で共鳴として到達できます。このリングは未来のフィクションです。

リングの各部

双極磁石

双極磁石は粒子を円軌道に保ちます。ローレンツ力が粒子を曲げ、p ≈ 0.3 · B · r。エネルギーが高いほど、強い磁場か大きなリングが必要です。LHCには長さ約 15 m の超伝導双極磁石が1232台あり、1.9 K で 8.3 T を生み出して、7 TeV の陽子を周長 27 km の軌道に保っています。

「磁場」の強化で双極磁石が強くなり、銅コイルが巻かれます。ビームレベル10ごとに、リング全体が新しい時代に入ります。

高周波空洞

高周波空洞では、電場がバンチと同じリズムで振動します。1周ごとにバンチを少しずつ加速し、バンチとしてまとめておきます。LHCには1ビームあたり8台の超伝導 400 MHz 空洞があり、1台約 2 MV、1ビームで合計 16 MV です。

ビームエネルギー6レベルごとに、高周波モジュールが1つ増えます(最大10)。

収束用四極磁石

四極磁石はレンズのように働きます。一方の平面ではビームを収束し、もう一方の平面では発散させます。交互に並べると、全体として収束します。検出器手前のトリプレットはビームを約 17 µm まで絞ります。断面が小さいほど衝突が増えます。

「ビーム収束」2レベルごとに、検出器の両側にトリプレットが1組増えます(最大6)。収束はヒットの判定時間も広げます。

低温タンク

超伝導磁石は臨界温度以下で電気抵抗を完全に失います。LHCは約100トンの液体ヘリウムで磁石を 1.9 K まで冷やしています。何もない宇宙空間(2.7 K)より冷たく、世界最大の極低温設備です。

「低温槽」のレベルごとにタンクが1つ増え(最大10)、オフライン稼働が延びます。

ヘリウムライン

液体ヘリウムは磁石に沿ったパイプの中を循環します。2.17 K 以下でヘリウムは超流動になり、熱を非常によく伝え、粘性はほぼゼロ。磁石の冷却材として理想的です。

ラインは「低温槽」強化のレベル2から現れます。

ビームとバンチ

陽子は連続した流れではなく、バンチ(かたまり)になって走ります。LHCは1ビームあたり最大2808個のバンチを持ち、各バンチに約 10¹¹ 個の陽子、間隔は 25 ns です。2本のビームは別々のパイプを逆向きに走り、検出器でだけ交差します。交差のたびに数十回の衝突が起きます。

交差のタイミングに合わせて発射します(ヒット判定時間)。「ルミノシティ」の強化で毎秒の衝突数が増え、自動運転が解放されます。

シンクロトロン放射光

円軌道上の荷電粒子は接線方向に光を放射します。その出力は E⁴ / (m⁴ · r²) で増えます。同じエネルギーなら、電子は陽子の約 10¹³ 倍のエネルギーを失います。だからLHCは陽子を使い、電子リングのLEP(104.5 GeV)では放射が限界になったのです。

放射光の扇はビームレベルとともに大きくなります。エネルギーが高いほど、光は明るく硬くなります。