素粒子物理学の未来を変える可能性のある機械の初テスト

素粒子物理学の実験についてご存知の 1 つは、その規模が巨大だということです。大型ハドロン衝突型加速器は直径約 5 マイルで、いくつかの町を一周できるほどの大きさです。スタンフォード大学の線形加速器は長さ 2 マイルです。科学者たちは、新しい実験によって、はるかに小型でありながら極めて強力な加速器が実現することを期待しています。

欧州原子核研究機構（CERN）の科学者らは昨日、AWAKE実験で最初のテストのいくつかを実施した。AWAKE実験は、素粒子物理学実験の規模を100分の1以下に縮小できる可能性があるというコンセプトに基づいた新しいタイプの加速器である。

大型ハドロン衝突型加速器のような衝突型加速器には多くの部品がありますが、一般的には粒子を保管する場所、粒子を非常に高速に加速する場所、粒子同士を衝突させる場所、または他の物体に衝突させる場所、そして爆発によって生じたすべての粒子の破片を観察する場所が必要です。加速の一部には、一連の交流電場に粒子を通すことによって粒子を加速することが必要です。粒子を加速するために、科学者はより強力な実験ではなく、より長い実験を構築します。「陽子駆動プラズマ航跡場加速実験」としても知られるAWAKE実験では、粒子をより短い時間ではるかに高速に加速するまったく新しい方法が使用されます。

AWAKE の秘密は航跡場の加速にある。この概念は 1970 年代に初めて理論化されたが、当時は技術的に構築するのが難しすぎたと、プロジェクトリーダーの Edda Gschwendtner 氏はPopular Science に語った。仕組みは次の通り。

まず、CERN の陽子加速器であるスーパー陽子シンクロトロンからの陽子の束がプラズマ場を通過します。プラズマ内の電子は負に帯電しているため、正に帯電した陽子の束に向かって飛びます。ただし、その時点では陽子は飛び去っているため、電子は飛び続けます。ただし、電子は正に帯電したプラズマから離れて移動するため、元の場所に戻ります。このプロセスが継続して波が発生します。この波に別の電子を投げ込むと、その電子は他の負の電子が落下するのを避けるために波に乗って移動します。その結果、サーファーは航跡場を非常に速く通過し、 Natureに掲載された記事によると、従来の方法よりも 1000 倍も速くなるそうです。

「これにより加速器をはるかに小型化できる」とグシュウェントナー氏は言う。「現在、リニアコライダーを作れば、長さは約50キロメートルになるだろう。」

今日、物理学者たちは、実験に向かう途中で陽子束をメインビームラインに通したばかりだ。これは、何かを機能させるための前提条件だ。プラズマや加速された電子はまだない。おそらく2018年までは実現しないだろう。AWAKEは概念実証に過ぎず、航跡場加速器を作る初期の試みだ。米国のスタンフォード線形加速器研究所とブルックヘブン国立研究所も同様の概念に取り組んでいるが、AWAKEは陽子によって波を作る唯一のもので、より強力な航跡場加速器を作ることができる。CERNのプレスリリースによると、いつか強力な卓上サイズの粒子加速器が登場するかもしれないが、陽子ベースの加速器はより強力な実験用であるため、おそらく波を作るのに陽子は使わないだろう。

いずれにせよ、数十年はこの種の加速器が素粒子物理学の実験に使われることはないだろうとグシュウェントナー氏は言う。しかし、卓上素粒子物理学実験というアイデアは、私たちの目を釘付けにし続けるだろう。