33年の時間を巻き戻し天文少年ならぬ天文壮年へ再入門。隊員1名、200mm、65mmの望遠鏡と双眼鏡で星空を楽しんでいます!
『もっと知りたい!KEKB加速器』
2013-09-25 Wed 00:00
先日の高エネルギー加速器研究機構(KEK)一般公開の時に友人が撮影したKEKB加速器の写真についてS.Uさんからいただいた説明に「エネルギーは[衝突実験のための周回リングへ電子と陽電子を供給する入口である]入射路も周回リングも同じです。」「加速はしません。」と書かれていて「ええ?周回リングで加速してエネルギーを上げるのではないの?」とびっくり仰天。[ ]内はかすてんが補足。

そこで、2009年の一般公開日にいただいた『もっと知りたい!KEKB加速器』という冊子を読み直して納得。前段の線形加速器から射出された時点ですでに電子8GeV陽電子3.5GeVの衝突時エネルギーまで達していたんだ。かなり基本的な部分が理解できていなかったので、この機会に始めから読み直して復習しておいた。

1309182.jpgこの冊子『もっと知りたい!KEKB加速器』の最新版は改良中のsuperKEKB版になっているようなので、KEK広報室に問い合わせて国際リニアコライダー(ILC)の資料とともにさっそく郵送していただいた。
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この記事のコメント
かすてんさんの私信へのご返事を兼ねて補足させていただきます。
 蓄積リングは、衝突型であれ放射光用であれ、通常は「加速」します。リングの運転エネルギーで入射するKEKBやKEKの放射光は特殊な仕様といえます。それは、高エネルギーの入射器(線形加速器)があるからこそできることで(SLACもそうですが)、同じエネルギーの線形加速器とリング型を並べて持っているからこそできる、ある意味とても「贅沢」な仕様と言えます。でも、この贅沢な仕様は、世界一の蓄積ルミノシティを達成するには不可欠なのです。その理由は、蓄積ビームが減ってきたら、いつでもすぐに注ぎ足せるから、という、とてもわかりやすいことです。

[追記]
 朝日新聞の夕刊で昨日から「宇宙線観測60年」という乗鞍観測所以来の歴史を綴ったコラムの連載が始まっているのを見つけました。
2013-09-25 Wed 07:17 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>同じエネルギーの線形加速器とリング型を並べて持っているからこそできる、ある意味とても「贅沢」な仕様

線形加速器って真っ直ぐ(KEKのはJ型ですが)で地味ですが、単なる粒子発生器では無かったのですね。

>いつでもすぐに注ぎ足せるから、という、とてもわかりやすいことです。

プロのチームに混ざるためにはプロのレベルに達していなければならない、将来の成長が見込まれるからと言って小学生をプロチームに加える訳にはいかないということですね。
2013-09-25 Wed 23:06 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>線形加速器って真っ直ぐ(KEKのはJ型ですが)で地味

この「地味」というのはまったく的を射た表現で、電子線形加速器は、研究用、医療用などで世界にたくさんあると思いますが、なかなかリストすら見つかりません。メインマシーンにしている、米国のSLACとJefferson-labのものについで、KEKのは世界3番目の規模ではないかと思うのですが、リストが見つからないので確認できませんでした。ILCの建設が始まれば、一挙に有名になるんでしょうが。

>小学生をプロチームに加える訳にはいかない
 面白いたとえですね。
 実際に「小学生」(低エネルギー)の粒子をリングに入射すると、磁場で曲げられすぎてリングの内側にそれてしまうので、「周回軌道に乗らない」と表現すると、天文をやってらっしゃるかたにはわかりやすいのではないかと思います。

2013-09-26 Thu 09:49 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>KEKのは世界3番目の規模ではないかと思うのですが〜

それはほとんど知られていない事実だと思います。
SLACはJ/ψ粒子の発見成果を知っていますが、Jefferson-labはどのようなことで有名なのですか?

>ILCの建設が始まれば、一挙に有名

先日のKEK見学の時に「多くの加速空洞を並べる線形加速器は高価です」と教えていただき目からウロコでした。KEKの線形加速器は高エネルギービームを発生できる上に、高度な技も持っていますから、そうとう高価なんだと想像されます。

>磁場で曲げられすぎてリングの内側にそれてしまう

可哀想に小学生粒子は壁にごっつんこですね。
「磁場で曲げられる」イメージは高校の物理を学んでいれば理解できるとは思いますが、「動いている荷電粒子に働く力」という概念は一般の人にはけっこうハードル高い様です(ヨメさんの感想)。
2013-09-26 Thu 11:01 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>Jefferson-labはどのようなことで
 ジェファーソンラボの名前になったのは、まだ2006年のことで、Wikipediaにもまだ日本語版がなく、日本では残念ながらまだ有名とは言えないでしょう。

http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Jefferson_National_Accelerator_Facility

図のように、2台の線形加速器をつないで5周して加速するというユニークな構造です。長さは、KEKのものより長いですが、1周あたりの加速エネルギーはKEKのほうが高いですね(KEKのはJ型なので片道ですが)。

 物理の成果としては、電子や電子から発生する光子を使って、陽子や原子核の内部構造の測定をしていることが挙げられます。一般には、ちょっとわかりにくい分野ですが、電子顕微鏡やX線で分子や原子の構造を探るのと同じようなことを、より高エネルギーの電子・光子で陽子や原子核を相手にやっているといえばよろしいでしょうか。

>「動いている荷電粒子に働く力」という概念は一般の人にはけっこうハードル高い

 そうですか。そうかもしれませんね。でも、有名なフレミングの左手の法則がそのままの形で応用できるので、このへんは高校で物理の授業をとった人の役得としてのランクアップの機会ということで利用していただきたい、というのが私の気持ちです。

 興味をお持ちの方のために、内容を書いておきますと、
F=qvB から R=p/(qB) が導ければ成功です。
Fはローレンツ力(粒子の進行方向が磁場に垂直な場合)、qは粒子の電荷、vは粒子の速さ、Bは磁場の強さ(磁束密度)、Rは軌道の曲率半径、pは粒子の運動量です。この式は粒子が遅い時も光速に近い時も正しいです。なお、運動量pとエネルギーEは、相対性理論で、E^2= p^2c^2+m^2c^4の関係にあります。このmは静止質量です。
2013-09-26 Thu 14:52 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>ジェファーソンラボ

素粒子研究というよりもPFに近いものですね。
5階建ての変わった構造です。線形加速部分は1階に2箇所あり、その間を5階建ての半円で繫いでいます。言葉では書きにくいのですが、加速部分は1階にしかないので1周する毎に上がったり下がったりしながら半円部分を降りて来て衝突させます。なぜ1階のままで加速させないのでしょう。

>有名なフレミングの左手の法則

有名ですが、多くの人は左手だ右手だといわれた時点でこんぐらかると思います。物理嫌いを作っている要因の一つだと私は密かに信じています。
私の高校の北山宗昌先生はこれを使いませんでした。右手だけです。右手の人差し指から小指を揃えて伸ばすのが磁場の方向、垂直に親指を立てると電流の方向、ひっぱたく方向が力の方向。同様に4本指が磁場の方向、導体が親指の方向に動くと、ひっぱたく方向が力の方向。私はこのおかげでフレミングに惑わさせずに済み、北山先生には感謝しています。
http://kasuten.blog81.fc2.com/blog-entry-840.html
http://kasuten.blog81.fc2.com/blog-entry-872.html
2013-09-26 Thu 17:56 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>素粒子研究というよりもPFに近いもの
 概念的にはそういう見方も出来ますが、実際に実験して得られるのは、π中間子の多重発生であったり、核内のクォーク・グルーオンの寄与だったりしますので、実験の解釈としては素粒子実験のそれに近いです。

>なぜ1階のままで加速させないのでしょう
 これは、先ほどの磁場によるローレンツ力と同じことなんですが、1周目、2周目、...とだんだん電子のエネルギーが高くなっていくので、同じ半径の周回部を回らせるためには、1周目よりも2周目、2周目よりも3周目と磁場をだんだん強くしないといけません。ところが、わずが5周で何倍かに加速されてしまうので、磁場上昇がこの高速(光速。電子はほぼ光速)について来れないのです。ですから、磁場強度の違う道を5階建てにしているのです。
 では、シンクロトロンではなんで同じ半径で加速できるのかということになりますが、シンクロトロンは、何秒かかけて磁石がついてこれる範囲でぼちぼち加速します。どうせ何周も蓄積するのですから、加速はそんなに速くなくても良いわけです。そうすると加速空洞の負担も楽に出来ます。

>右手だけです
 いろいろな教え方があると思いますが、確かに右手と左手で混乱されるのは不本意です。どちらか一方にすべきでしょうね。物理の専門の学生向けには(かすてんさんもそうだとおもいますが)、ローレンツ力を F=q(v×B)と外積で教えて、外積axbはaからbに回して右ネジ進む方向と教えると思いますが、高校では外積を使わないので、ここが工夫のしどころですね。
2013-09-26 Thu 18:14 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>実験の解釈としては素粒子実験のそれに近いです。

そのようにも見られるのですね。

>磁場上昇がこの高速(光速。電子はほぼ光速)について来れないのです。ですから、磁場強度の違う道を5階建てにしているのです。

分かりました。じわじわ加速されて行くのではなく、あっという間にスピードアップして同じ位相に来てしまうのですね。

>高校では外積を使わないので、ここが工夫のしどころですね。

方程式を使えない小学校でのつるかめ算もそうですが、次の段階の少し高見から眺めれば見通しが良くなることがほとんどなので、低い位置で教える先生たちの工夫のしどころですね。
2013-09-27 Fri 13:04 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>同じ位相に来てしまう
 そうなんですよ。光速で走ってまたもとの線形加速器の同じ加速の位相に入って来られるよう上り下り斜路と5階建周回部の道のりを5経路とも正確に定めてあるはずです。かすてんさんも相当詳しくなられたようですから、ぼちぼち新加速器の基本デザインなどいかがですか。
2013-09-27 Fri 16:54 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>ぼちぼち新加速器の基本デザインなどいかがですか。

加速器ファンもただ一般公開日を待つだけでは退屈かもしれません。これはKEKがデザイン部門、メカ部門などで一般公募をされたら如何でしょうか。実現性の如何はともかく、夢の見せっこをしたら楽しそうです。
2013-09-27 Fri 20:24 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>一般公募
 面白そうですね。機会があれば提案してみましょうか。

 たぶん、どの程度のレベルのものがどのくらい出てくるのか、論文や特許になるようなアイデアが出たらどうするのか、ということが気になるでしょうね。

 小学校でやるような「ぼくのわたしの夢の加速器」のようなものなら問題にならないでしょうが、そうはならんでしょう。
 
2013-09-28 Sat 07:06 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>論文や特許になるようなアイデアが出たらどうするのか、ということが気になるでしょうね。

実現性のないものを想定して上の様に書きましたが、実現性のあるものが出た場合がややこしいですね。
2013-09-28 Sat 09:22 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
ご存じかもしれませんが、B-labでの「発見」については、そういう場合に備えてルールが決めてあります。
http://belle.kek.jp/b-lab/sanka.htm
これは管理権利者のいるデータの使用条件なので問題は起こらないと思います。
 一方、特許になるような工業的なアイデアは簡単には権利の移行はできず、本人の権利として残るのでしょう。
2013-09-28 Sat 14:49 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>B-labでの「発見」については、そういう場合に備えてルールが決めてあります。

ありましたね。

例が悪いですが、「零戦隼人」は撃墜した戦闘機の数を機体に書き込んでいましたし、関勉さんは発見した彗星の名前を鏡筒に書き込んでいました。「Belle 測定器に貼る記念するプレート」はB-labとは関係なくもともと行われていたことなのですか。B-labに関連しては何枚張られているのですか?
2013-09-28 Sat 15:37 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>何枚張られているのですか?
残念ながら1枚も貼られていません。
 Belleグループの研究者は(大学院生も含まれます)、これまでに20個か30個くらい(ちゃんと数えていないので総数は不正確)の新しいハドロンを見つけていますが、どこにもリストは貼り付けてありません。

 B-labについては、webに報告がありますが、残念ながらこれまで論文につながるような新発見には至っていません。可能性はあると思うのですが、自然界が今のところ、捜索範囲に宝物を見つけるチャンスを置いてくれていないということでしょう。

2013-09-28 Sat 16:14 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>残念ながら1枚も貼られていません。

記念のプレートを貼るとか、サインをするとかの伝統が一般的でないからでしょうか。印象としてもこういうのは西洋的で、日本だと「落書きするな、元通り消しておけ」になりそうです。いえ、Belleに携わるみなさんがそんな貧困な発想をするという意味ではありませんよ。
2013-09-28 Sat 16:41 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
>記念のプレートを貼るとか、サインをするとかの伝統が一般的でないからでしょうか
 
 日本人の感覚からいって、そういうことでしょうね。Belleの場合、外国人からもそういう提案が出たことはないですが。
 
 でも、もちろん、B-labで世界初の新発見が出れば、それはすばらしい快挙になりますので、でーんと貼らせていただきますよ。(派手なのになるか渋いのになるかはしりませんが)
2013-09-28 Sat 18:39 | URL | S.U #MQFp2i1U[ 内容変更]
>もちろん、B-labで世界初の新発見が出れば、それはすばらしい快挙になりますので、でーんと貼らせていただきますよ。

物理学世界での新発見のご褒美ですから、そう容易くペタペタと貼ってもらえるもんじゃないということは分かりました。私の老後の楽しみにしましょう。
2013-09-29 Sun 11:22 | URL | かすてん #MLEHLkZk[ 内容変更]
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