前置加速器
まず、粒子を作り、小さなエネルギーに分散させる必要があります。 これはすべて、小さな前置加速器で行われます。 電子と陽子は、電場やイオン化などで通常の物質から抽出されます。 粒子は電界によって「引っ張られ」、その作用で加速され、「蓄積リング」と呼ばれる小さなシンクロトロンに落ちます。 その中に粒子が蓄積し、十分な数になると、主加速器に「注入」されます。 そこから実験が始まり、前置加速器で粒子は再びゼロから蓄積されます。 このようなサイクルにはそれぞれ数時間かかります。

通常の物質には存在しない粒子（反陽子など）で実験を行う必要がある場合はより複雑になります。 最初に、以前と同様に、陽子が取得され、次に陽子ビームが特別なターゲット (コンバーター) に向けられます。 陽子が標的原子核に衝突すると、粒子の混合物が生まれ、その中には反陽子もあります。 磁場の助けを借りて、これらの反陽子は分離され、蓄積リングに送られます。

ビーム．偏向磁石のラティス．
物理学者が加速器内の粒子の動きについて話すとき、それらをまとめて粒子ビームと呼びます。 このビームは、パイプの全長に沿って走行し広がりませんが、いくつかの粒子集団（バンチ）に集められます。 通常、粒子集団は、長さ (数センチメートルまたは数十センチメートル) 、細さ (数十ミクロン) の「針」状です。

ニュートンの第一法則によると、自由状態の粒子は直線的に移動しま。 したがって、それらをリング加速器内に保持するには、磁場を印加して軌道を曲げる必要があります。 これを行うために、特別な偏向磁石が加速リングに沿って互いに一定の距離で取り付けられています。 その結果、ビームの軌跡は丸みを帯びた多角形に似たものになります。偏向磁石で、ビームは小さな角度の回転をし、次の偏向磁石まで直線で飛行します。 残りのすべての機器が設置されているのは直線部分です。

粒子のエネルギーが大きくなればなるほど、粒子を希望の半径の円弧に曲げることは難しくなり、より強力な偏向磁石を使用する必要があります。 LHC コライダーでは、 8 テスラ (地球の磁場の約 100,000 倍) の偏向磁石を使用します。 このような強力な磁場は、超伝導電磁石で、非常に低い温度でのみ稼働します。 その結果、装置全体 (周囲 27 km のこのリング) を非常に低い温度 (2 K 未満) に冷却する必要があります。 加速リングは、単に「磁場を持つリング」ではなく、非常に複雑な技術的構造なのです。

偏向磁石の磁場は均一ではありません。 弧の内側がやや弱く、外側がやや強い。 これは、最適な軌道からわずかに外れてしまったビームを元に戻すためです。

ビームの制御システムと「非常口」
粒子ビームにはそれほど多くの粒子が含まれていないにもかかわらず (ビーム内のすべての粒子の総質量は通常ナノグラム以下です)、膨大な量の運動エネルギーを蓄えることができます。 たとえば、LHC の陽子ビームは、飛行中のジェット機の運動エネルギーに匹敵するエネルギーを持っています。 ビームの制御が失われた場合、自由に逃げた後、ビームは真空チューブの壁、加速装置、さらには数メートルのコンクリートの壁を焼き尽くします。 したがって、ビーム位置追跡システムは、加速器の安全な運転のために絶対に必要です。

追跡システムは、ビーム軌道が真空チューブ内を通過する正確な場所をリアルタイムで制御します。 チューブの軸からわずかにずれている場合、磁場はその位置を合わせようとします。 偏差が重大になると、「ビームのリセット」が発生します。特別な非常に高速な磁石が突然オンになり、特別な「非常口」を介して加速リングからビームが遠くに運ばれ、そのエネルギーを巨大なコンクリートのターゲットがすべてを引き受けます。 通常、衝突する 2 つのビームのそれぞれに対して 1 つの非常口を作成するだけで十分です。ビームの不安定性はそれほど急速には発達せず、この間にビームは出口に到達する時間があります。

通常モードでは通常のビーム放出も発生します。 加速器内を飛んでいると、ビームは徐々に粒子を失います - 検出器での衝突中に脱落するものもあれば、真空チャンバー内の残留ガス分子で単純に散乱するものもあります。 数時間ごとに、ビームが数回弱まると、遠く離れた同じターゲットに「投下」され、粒子の新しい部分が加速器に注入されます。

加速セクション
粒子が予備加速器から主加速器に「注入」されたばかりのときは、まだエネルギーが少なすぎるため、加速する必要があります。 これは、特別な加速器セクションであるクライストロンで実行されます。 クライストロンは、空っぽの電子レンジに似た奇妙な形をした特殊な真空チャンバーです。 このチャンバーでは強力な定在電磁波が励起され、その周波数と位相は通過するバンチと注意深く調整されています。次のバンチが加速セクションに飛び込むと、強力な電場がそれを前方に押し出します。

磁気レンズ
飛んでいる隣同士のビームの粒子は同じ電荷を持っているため、互いに反発し、ビームは横方向に広がる傾向があります。 ビームを常に集束させる必要があるので、加速リングに沿って配置された特別な四極磁石、「磁気レンズ」によって集束されます。

最も重要な磁気レンズのペアは、衝突するビームが検出器に入る直前に取り付けられます。これらのレンズは「最終四重極」と呼ばれます。 衝突するビームからの粒子が衝突して、新しい重い粒子を生成する必要があるのはそこです。 衝突の確率は、ビームが合流点に「より密に」集束されるほど高くなります。各ビームの「集束スポット」の直径が半分になると、衝突の頻度は 16 倍になります。

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