フェルミラボ（Fermilab）：テバトロンの歴史とニュートリノ実験の概要

フェルミラボのテバトロン史とMiniBooNE・MINOS等ニュートリノ実験の核心を、発見と装置の詳解でわかりやすく解説。

フェルミ国立加速器研究所（Fermilab）は、シカゴ近郊のイリノイ州バタビア郊外にある米国エネルギー省の国立研究所で、高エネルギー素粒子物理学を専門としています。1967年に設立され、強力な粒子加速器群と多様な実験施設を備え、世界中の研究者が共同研究を行う国際的な拠点です。2007年1月1日現在、フェルミ研究所はシカゴ大学、イリノイ工科大学、大学研究協会（URA）のジョイントベンチャーであるフェルミ研究同盟によって運営されています。フェルミラボはイリノイ州技術研究回廊の一部であり、基礎物理学の「インテンシティ（強度）フロンティア」と「エネルギー（加速器）フロンティア」の両面で重要な役割を果たしています。

テバトロンの歴史と技術

フェルミラボの代表的な大型加速器はテバトロンです。テバトロンは、周長3.9マイル（6.3 km）を有し、名の通り一ビーム当たりテラ（10^12）電子ボルト級の運転を目指したもので、主に陽子と反陽子の衝突実験を行っていました。これは、2011年9月30日に停止されるまで、世界で二番目に高い衝突エネルギーを誇る加速器として知られていました（CERNの大型ハドロン衝突型加速器は周長27 km）。

テバトロンは1980年代から稼働を始め、複数のアップグレードを経て性能を向上させました。加速器チェーンは、リニア・インジェクタ（線形加速器）、ブースター、メインインジェクタやリサイクラーなどから構成され、ビームの質と強度を高めるための技術的工夫が多数導入されました。1995年にはテバトロンを利用する二つの主要検出器チーム（CDFとDØ）がトップクォークの発見を発表し、素粒子物理学の重要なマイルストーンとなりました。

ニュートリノ科学と固定標的実験

フェルミラボは高エネルギー衝突型加速器物理学に加えて、小規模から中規模の固定標的実験や多様なニュートリノ実験のホストとしても知られています。代表的な実験を以下に示します。

• MiniBooNE（Mini Booster Neutrino Experiment）
  MiniBooNEは、直径約40フィート（12 m）の球体検出器で、約800トンの鉱物油を充填し、内部に1520個の光電管が配置されています。主な目的は、過去に報告されたLSND実験の異常（短基線でのν̄μ→ν̄eの過剰）を検証することでした。毎年推定で多くのニュートリノ事象が記録され、ビーム中および宇宙起源のバックグラウンドを含む詳細な解析が行われています。
• SciBooNE（SciBar Booster Neutrino Experiment）
  SciBooNEはMiniBooNEと同じニュートリノビームを利用しつつ、より高精度な荷電粒子の追跡能力を持つ検出器（SciBar）を使ってニュートリノ相互作用の断面積などを測定することを目的とした実験です。短基線でのクロスセクション測定は、後続実験の系統的誤差低減に貢献しました。
• MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）
  MINOSは、フェルミラボのメインインジェクタから発射されるNuMI（Neutrinos at the Main Injector）ビームを用いた長基線ニュートリノ振動実験です。ビームは地球を貫き、ミネソタ州のスーダン鉱山にあるMINOS遠方検出器まで約455マイル（732 km）を伝播します。フェルミラボ側には近接検出器が置かれ、遠方検出器との比較によりミューオンニュートリノの消失や振動パラメータ（質量差の二乗や混合角）を高精度に測定しました。

これらに加え、MicroBooNE、NOvA、短基線ニュートリノプログラム（SBN）や最近進められているDUNE（Deep Underground Neutrino Experiment）への技術的・人材的な貢献など、ニュートリノ分野での役割は拡大しています。特にDUNEは、フェルミラボを加速器・ビーム源の中枢として国際共同で進められる大型プロジェクトで、次世代の長基線ニュートリノ観測と質量階層・CP対称性の解明を目指しています。

施設、環境保全、地域貢献

フェルミラボのために広大な土地が確保され、加速器設備の多くは地下に配置されています。一方で地表部は自然再生と教育・レクリエーションの場として活用されています。フェルミラボの科学者やスタッフは、イリノイ州の元々の大草原（プレーリー）を復元するための長期的なプロジェクトを実施しており、固有種の植生回復や生態系研究が進められています。また、アメリカバイソンの群れを飼育する計画もあり、地域の自然教育プログラムや訪問者向けの環境保全活動に貢献しています。フェルミラボ自然地域は、これらのプログラムを管理する独立した非営利団体として運営支援を行っています。

近年の取り組みと今後

テバトロンの閉鎖後、フェルミラボは「インテンシティ・フロンティア（高強度ビーム）」への転換を進め、より高強度の陽子ビームによるニュートリノ実験や中性子・ミューオンに関する研究を強化しています。具体的には、NuMIビームのアップグレード、PIP-II（プロトン改善計画）といった加速器改善プロジェクト、精密測定を行うMuong-2や将来のDUNEプロジェクトへの参加などが挙げられます。これらは素粒子物理学の未解決問題（ニュートリノ質量階層、CP対称性の破れ、標準模型の限界など）に取り組む重要な基盤となっています。

教育面でも、フェルミラボは大学院生・学部生向けの研究機会、教師向けの科学教育プログラム、一般向けの公開講座や博物館的展示を通じて、科学リテラシーの向上に寄与しています。国際共同研究のハブとして、世界中の研究者や学生が参画する場となっています。

小惑星11998フェルミラボは、研究室に敬意を表して命名されました。これはフェルミラボが科学界に与えた影響の一つの象徴です。

歴史

第二次世界大戦から1960年代にかけて、連邦政府は高エネルギー物理学実験を構築するために、競合する大学のさまざまな粒子加速器に資金を提供しました。最も注目すべきものは、粒子を直線上に送るスタンフォード線形加速器（SLAC）、SUNYストーニーブルックのブルックヘブン国立研究所、粒子を円を描くように送り、同じ磁石で何度も粒子に作用させるコーネル大学のシンクロトロンでした。1960年代になると、より大きなアトムスマッシャーを作るためのコストが高すぎて個々のキャンパスに資金が回らなくなり、次の円形加速器のためのリングのサイズは既存の大学のキャンパスに収まりきらないほど大きくなっていました。そこで連邦政府は、いくつかの大学の物理学者が運営する新しい場所を始めることにしました。場所を決めるためにコンペを行ったが、政治家たちはイリノイ州であることを求めて争った。

イリノイ州ウェストンは、バタビアの隣のコミュニティであった。1960年代初頭に始まったプレハブ住宅の分譲地だった。販売が非常に遅れていたので、土地開発者は、新しい町の端に新しい雇用者としてフェルミラブを誘致しようとした。しかし、必要な土地の量が町全体を飲み込んでしまうことが判明した。そこで、町はフェルミラブ社に建てられた家を含む土地をすべて売却することを投票で決めた。その後、町は解散した。

この研究所は1967年に国立加速器研究所として設立され、1974年にエンリコ・フェルミに敬意を表して改称されました。研究所の初代所長はロバート・ラスバン・ウィルソン。ウィルソンはキャンパス内の彫刻の多くを制作しました。彼は、前倒しで予算内で完成させた責任があると言われています。敷地内にある高層の実験棟は、フェルミラボのシンボルとなっているユニークな形をしており、ウィルソンにちなんで命名され、キャンパスの活動の中心となっています。

新しい建物が完成する前に 科学者たちは ウェストンの家に引っ越しました フェルミラボの農場の家もすべて オフィススペースとして使用するために その場所に移動しました彼らはウェストンを"フェルミラボ村"と改名した今でも科学者の訪問者が住んでいます

ウィルソンは、コーネル大学のシンクロトロンを建設したチームを引き入れ、オリジナルの200GeV加速器の建設を手伝った。2つの重要な発明がこの加速器を時代遅れのものにしました。それは、超伝導磁石と、同じアクセラレータリングを使って2つの粒子群を反対方向に送り、衝突したときに2倍のエネルギーを持つようにすることです。

1978年にウィルソンが研究室の資金不足に抗議して辞任した後、レオン・M・レダマンがその仕事を引き受けました。彼の指導の下、当初の加速器はテバトロン加速器に置き換えられました。新しい加速器は、1.96 TeVのエネルギーで陽子と反陽子を衝突させることができた。レダマンは1988年に退任し、現在も名誉所長を務めている。敷地内にある科学教育センター（学生と一般市民を対象としている）は、彼の名前にちなんで命名されました。

1988年から1998年までは、John Peoplesが研究室を運営していました。その間、2005年6月30日まではMichael S. Witherellが運営していました。2004年11月19日, カリフォルニア州ローレンス・バークレー国立研究所の元所長であるPiermaria Oddoneがフェルミラボの新所長に就任したことが発表された.Oddoneは2005年7月1日に所長としての任期を開始した。

フェルミラボは、世界的なLHCコンピューティンググリッドのティア1サイトとしての役割を含め、LHCの研究に参加し続けています。イリノイ州は、科学者や産業界のパートナーのために、フェルミラボにイリノイ加速器研究センターの新しい建物を建設するための資金を提供しています。

ロバート・ラスバン ウィルソン・ホール

加速器

加速プロセスの第一段階は、コッククロフト・ウォルトン発電機で行われます。これは、マッチ箱サイズの楕円形のカソードとその周囲のアノードを1mm間隔で隔て、ガラスセラミック絶縁体で固定したモリブデン電極を並べた容器に水素ガスを導入してH^-イオンに変換するものです。マグネトロンを使用してプラズマを発生させ、金属表面付近にH^-を形成させます。コッククロフト・ウォルトン発生器により750keVの静電場が印加され、イオンが容器の外に加速される。次のステップはリニアック（線形加速器）で、粒子を400MeV（光速の約70％）まで加速する。次の加速器に入る直前に、H^-イオンは炭素箔を通過してH⁺イオン（陽子）になります。

次はブースターリングです。ブースターリングは円周468mの円形加速器で、磁石を使って陽子のビームを円軌道に曲げていく。ライナックから送られてきた陽子は、33ミリ秒で約2万回ブースターの周りを回るため、電場を繰り返し経験します。一周するごとに陽子はより多くのエネルギーを拾い上げ、ブースターには8GeVのエネルギーが残されている。メインインジェクターは、加速器チェーンの次のリンクです。1999年に完成したメインインジェクターは、陽子の加速、反陽子生成のための陽子の供給、反陽子源からの反陽子の加速という3つの機能を持つフェルミラボの「粒子交換所」となっています。最後の加速器はテバトロン。これは世界で2番目に強力な粒子加速器でした（CERNの大型ハドロン衝突型加速器が最も強力）。光速に近い速度で、陽子と反陽子がテバトロンの周りを逆方向に回ります。物理学者たちは、テバトロントンネル内にある2つの5,000トンの検出器DØとCDFの中心で1.96 TeVのエネルギーでビームが衝突するようにビームを調整し、初期宇宙の物質の状態と最小のスケールでの構造を明らかにしています。テバトロンは現在、博物館に改造されています。

線形加速器には医療施設も併設されています。医師は、加速器から陽子や中性子を腫瘍に打ち込むことで、がん患者を治療しています。

フェルミラボ社の加速器のリング

質問と回答

Q:フェルミ国立加速器研究所とは何ですか?

Q:フェルミ研究所は誰が運営しているのですか?

Q: テバトロン粒子加速器は何に使われたのですか?

Q:フェルミ研究所では、他にどのような実験が行われているのですか?

Q: ミニブーニー検出器はどのくらいの大きさですか?

Q: NuMIビームはフェルミ研究所からどの位離れているのですか?

Q: フェルミラブの地上ではどのようなプログラムが始まっていますか?

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