KEK

Siedziba ośrodka badawczego KEK u podnóża góry Tsukuba. Po lewej stronie widać wschodnią halę synchrotronu protonowego (KEK-PS), a po prawej halę eksperymentalną Oho pierścienia akumulacyjnego KEKB . W tle hala Tsukuba z Eksperymentem Belle.

KEK The High Energy Accelerator Research Organization (jap. 高エネルギー加速器研究機構 Kō Enerugī Kasokuki Kenkyū Kikō) to narodowy ośrodek badawczy fizyki wysokich energii w Japonii. Znajduje się w Tsukubie w prefekturze Ibaraki, około 55 kilometrów na północny wschód od Tokio. Zostało założone w 1971 roku jako National Laboratory for High Energy Physics (jap. 高エネルギー物理学研究所 Kō-Enerugī butsurigaku Kenkyūsho) i połączone w 1997 roku z założonym w 1955 roku Institute of Nuclear Study (INS) oraz założonym w 1988 roku Meson Science Laboratory, oboma wchodzącymi w skład Uniwersytetu Tokijskiego. Zachowano przy tym japoński akronim KEK.

KEK prowadzi badania w obszarach fizyki cząstek elementarnych i jądrowej, a także nauk o materiałach i naukach przyrodniczych przy pomocy kilku dużych akceleratorów cząstek . Należą do nich m.in. KEKB i jego następca SuperKEKB, a także kompleks akceleratorów J-PARC w Tōkai . Opracowywane są tu również komponenty do akceleratorów, zwłaszcza w dziedzinie magnesów nadprzewodzących, detektorów cząstek i wnęk rezonansowych. W projekcie KEK opracowano między innymi komponenty detektora ATLAS na LHC w CERNie oraz wnęki rezonansowe typu Crab Cavity dla akceleratora KEKB – dzięki którym w 2009 roku w eksperymentie Belle udało się ustanowić aktualny (2013) rekord świata w świetlności.

Powstanie

Po zakończeniu II wojny światowej badania z zakresu fizyki jądrowej zostały w Japonii zakazane aż do początku lat pięćdziesiątych XX wieku. W 1955 roku na Uniwersytecie Tokijskim utworzono Institute of Nuclear Study (INS), który w latach 1956–1961 zbudował pierwszy większy akcelerator cząstek, synchrotron elektronowy o energii 750 MeV, a od 1966 roku 1,3 GeV. Aby nadgonić międzynarodowe badania w zakresie eksperymentów z wysokoenergetycznymi jonami, w połowie lat sześćdziesiątych czołowi naukowcy forsowali plan budowy synchrotronu protonowego o energii 40 GeV. Na początku lat 70. rząd japoński zatwierdził jedynie zmniejszony budżet na budowę synchrotronu protonowego o mocy 8 GeV, w połączeniu z wymogiem utworzenia krajowego ośrodka badawczego w dziedzinie fizyki wysokich energii. Efektem było założenie w 1971 roku ośrodka KEK.

Akceleratory i eksperymenty

Synchrotron protonowy (KEK-PS)

KEK-PS, TRISTAN i Photon Factory w KEK w Tsukubie

W ramach przekształcenia Tsukuby w „Miasto Nauki” rozpoczętego w 1970 r. w północnej części miasta na terenie nowo powstałego KEK w kwietniu 1971 r. rozpoczęto budowę synchrotronu protonowego o energii 8 GeV, którą zakończono końcem 1976 roku. Osiągalna energia protonów została zwiększona do 12 GeV w ciągu roku, a pierwsze eksperymenty w pierwszym dużym japońskim akceleratorze cząstek rozpoczęły się w 1977 roku. KEK-PS położył podwaliny pod kolejne akceleratory w KEK, a działając przez prawie 30 lat do grudnia 2005 roku, wniósł znaczący wkład w rozwój KEK i fizyki wysokich energii w Japonii.

KEK-PS składał się z akceleratora liniowego (LINAC) – zasilanego przez akcelerator Cockcrofta-Waltona – który przyspieszał protony do 40 MeV. Następnie były one przyspieszane do 500 MeV w pierwszym synchrotronie o obwodzie 38 metrów i wprowadzane do głównego pierścienia o obwodzie 339 metrów. Tam paczki protonów doprowadzano do energii końcowej wynoszącej 12 GeV i za pomocą linii wiązek udostępniano eksperymentom w północnej i wschodniej hali KEK-PS. Wiązkę protonów o energii 500 MeV z pierwszego synchrotronu była również wykorzystywana w laboratoriach neutronów i mezonów zlokalizowanych na południe od głównego pierścienia, a wybudowanych pod koniec lat 70.

Do czasu ukończenia projektu TRISTAN w 1985 r. KEK-PS był jedynym akceleratorem cząstek w Japonii dla tego zakresu energii i był używany w wielu eksperymentach z dziedziny fizyki cząstek elementarnych i fizyki jądrowej. Po uruchomieniu akceleratora elektronów i pozytonów TRISTAN, KEK-PS był używany głównie do badania materii dziwnej, takiej jak hiperjądra i procesy rozpadu kaonów . Ponadto działania rozwojowe KEK w zakresie detektorów cząstek zwiększyły zapotrzebowanie na wiązki protonów do celów testowych. Ostatnia faza eksploatacji KEK-PS od końca lat 90. związana była z eksperymentem KEK-to-Kamioka (K2K). W tym celu w 1999 roku uruchomiono linię wiązki, w której za pomocą wiązki protonów neutrina były generowane w kierunku oddalonego o 250 km detektora Super-Kamiokande, w miejscowości Kamioka (obecnie Hida). Celem było badanie oscylacji neutrin; przeznaczano na to około dwóch trzecich dostępnego czasu pracy KEK-PS.

Photon Factory (PF) i TRISTAN

Akcelerator liniowy (LINAC) w KEK w Tsukubie

W połowie lat 70. w KEK zaplanowano budowę dwóch nowych akceleratorów cząstek. Jednym z nich miał być pierścień magazynujący elektrony o energii 2,5 GeV do wytwarzania promieniowania synchrotronowego dla nauk o materiałach i nauk przyrodniczych, a drugim duży zderzacz elektron-pozyton o energii środka masy 60 GeV dla fizyki wysokich energii. Choć były one przeznaczone do różnych obszarów badawczych, oba opierały się na przyspieszaniu elektronów, co umożliwiło wspólne wykorzystanie LINAC-a do wstępnego przyspieszania (pozytony powstają w wyniku bombardowania elektronami specjalnych tarcz i są również przyspieszane w LINAC-u). Prace konstrukcyjne nad kompleksem LINAC rozpoczęły się na początku 1979 roku i od tego czasu był on stale rozbudowywany, służąc jako wstępny akcelerator dla wszystkich innych dużych akceleratorów cząstek w ośrodku KEK w Tsukubie, z wyjątkiem KEK-PS. Obecnie, po przekształceniu, pracuje na potrzeby akceleratora SuperKEKB. W 1982 roku wiązka elektronów z LINAC-a osiągnęła 2,5 GeV. Była ona następnie dostępna dla ukończonego wtedy pierścienia magazynującego Photon Factory, a także pierścienia akumulacyjnego TRISTAN (TRISTAN-AR, ang. Tristan-Accumulation-Ring), ukończonego w 1983 roku. TRISTAN-AR był kolejnym akceleratorem wstępnym dla późniejszego pierścienia głównego i doprowadzał elektrony i pozytony do energii 6, a później do 8 GeV.

TRISTAN

Akcelerator cząstek TRISTAN składał się z kilku akceleratorów wstępnych oraz pierścienia głównego (MR, ang. Main Ring) o obwodzie trzech kilometrów, służącego do jednoczesnego przyspieszania elektronów i pozytonów oraz ich zderzenia z energią środka masy dochodzącą do 64 GeV. Motywacją do konstrukcji była teoria wysunięta przez Makoto Kobayashiego i Toshihide Maskawę w 1973 roku, mająca na celu wyjaśnienie naruszenia CP w ramach modelu standardowego przez wprowadzenie trzeciej generacji kwarków. Każda generacja składa się z dwóch kwarków: pierwsza generacja - kwarki u i d, druga generacja - kwarki s i c, trzecia generacja - kwarki b i t. W tamtym czasie potwierdzone było istnienie trzech kwarków: u, d i s. Istnienie pozostałych trzech należało jeszcze potwierdzić doświadczalnie. Kwark c wykryto niezależnie w Stanford Linear Accelerator Center i Brookhaven National Laboratory w 1974 r., a kwark b w Fermilabie w 1977 r. Pod koniec lat 70. w KEK opracowano plany budowy akceleratora cząstek do poszukiwania ostatniego kwarku t, a budowę rozpoczęto w 1981 r. Akcelerator działał od 1986 r., ale pod koniec lat 80. stało się jasne, że nie dysponuje on wystarczającą energią środka masy do wyprodukowania kwarku t. W rezultacie zaczęto planować następcę projektu KEKB, a przebudowa rozpoczęła się w 1994 roku; TRISTAN został ostatecznie zamknięty w 1995 roku.

Photon Factory (PF)

Od 1982 roku generowane jest tu promieniowanie synchrotronowe o wysokiej jasności przy użyciu pierścienia o obwodzie 187 metrów do magazynowania elektronów o energii 2,5 GeV. Spektrum promieniowania obejmuje zakres od ultrafioletu do wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego. Elektrony są już dostarczane z końcową energią przez kompleks LINAC i przechowywane w pierścieniu PF w nawet kilkuset pakietach przez 30 godzin (czas życia wiązki).

Wraz z przekształceniem akceleratora TRISTAN w KEKB, dotychczasowy pierścień akceleratora wstępnego TRISTAN-AR nie był już potrzebny i w 1998 r. został przekształcony w celu ukierunkowanego generowania promieniowania synchrotronowego w zakresie wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego i przemianowany na Photon Factory Advanced Ring (PF-AR). Elektrony o energii 3 GeV są wprowadzane do PF-AR z LINAC-a i dalej przyspieszane do 6,5 GeV w krążącym pakiecie, z czasem życia wiązki wynoszącym około 20 godzin.

Oba pierścienie magazynujące obsługują ponad 50 stacji doświadczalnych, z których dwie trzecie wykorzystują twarde promieniowanie rentgenowskie, a jedna trzecia wykorzystuje promieniowanie UV i miękkie promieniowanie rentgenowskie. Zakres eksperymentów obejmuje analizę strukturalną z wykorzystaniem dyfrakcji promieni rentgenowskich, różnorodne metody spektroskopowe i zastosowania medyczne.

KEKB i SuperKEKB

Akcelerator cząstek KEKB w KEK w Tsukubie

Detektor Belle w KEKB

KEKB, zaprojektowany jako fabryka B (akcelerator wyspecjalizowany w produkcji mezonów B) o asymetrycznych energiach zderzających się wiązek, budowany był od 1994 roku na bazie akceleratora cząstek TRISTAN, maksymalnie wykorzystując istniejącą infrastrukturę i technologię. Został oddany do użytku w 1998 roku i składał się z dwóch oddzielnych pierścieni magazynujących elektrony (8 GeV) i pozytony (3,5 GeV), które zostały zbudowane w istniejącym tunelu TRISTAN o długości 3 km. Ponadto dawny akcelerator liniowy musiał zostać zmodernizowany i przedłużony o 200 metrów, aby dostarczać do pierścieni magazynujących cząstki o końcowej energii (elektrony i pozytony nie były już bardziej przyspieszane w KEKB).

Celem akceleratora była produkcja mezonów B, których rozpad - zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi opartymi na macierzy CKM - powinien skutkować silnym naruszeniem CP, a tym samym być łatwo obserwowalny. Dzięki eksperymentowi BaBar na akceleratorze PEP-II (SLAC) w USA i eksperymentowi Belle na akceleratorze KEKB po raz pierwszy zaobserwowano naruszenie CP w układzie mezonów B, co doprowadziło do przyznania Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2008 roku japońskim fizykom Makoto Kobayashiemu i Toshihide Maskawie. Po ponad dziesięciu latach pomyślnej działalności KEKB zakończył zamknięty w czerwcu 2010 roku.

Aby precyzyjnie określić naruszenie CP, konieczna jest analiza dużej liczby zderzeń cząstek. Miarą częstości zderzeń w punkcie przecięcia wiązek osiąganej za pomocą akceleratora jest świetlność. Dzięki zainstalowaniu wnęk rezonansowych typu Crab Cavities opracowanych w KEK, w eksperymencie Belle w 2009 r. ustanowiono światowy rekord świetlności wynoszący 2,1·10 ³⁴ cm ^-2 s ⁻¹, dwukrotność pierwotnie planowanej wartości.

W celu dalszego zwiększenia świetlności, końcem 2011 roku rozpoczęła się przebudowa akceleratora KEKB w akcelerator SuperKEKB w ramach kolejnego eksperymentu Belle-II. Wstępne testy akceleratora odbyły się wiosną 2016 r., a detektor został przeniesiony do docelowej pozycji w miejscu zderzenia wiązek w kwietniu 2017 r. Belle-II rozpoczął zbieranie danych na początku 2018 roku. Celem było zwiększenie jasności 40-krotnie do 8·10 ³⁵ cm ^-2 s ^-1 do 2021 r. W czerwcu 2022 osiągnięto świetlność 4.7×10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Świetlność zwiększana jest poprzez lepsze skupienie wiązek w punkcie zderzenia oraz zwiększenie liczby cząstek krążących w pierścieniach akumulacyjnych. Ponadto zmniejszono asymetrię energii wiązek; zderzenia odbywają się przy energii 7 GeV dla elektronów i 4 GeV dla pozytonów.

J-PARC

Akceleratory cząstek oraz hale doświadczalne w japońskim kompleksie badawczym J-PARC, około 120 km na północ od Tokio, na wybrzeżu Pacyfiku

J-PARC to kompleks badawczy w miejscowości Tōkai w prefekturze Ibaraki, obsługiwany przez KEK wspólnie z Japońską Agencją Energii Atomowej JAEA . Zbudowany w latach 2001-2008, jest następcą akceleratora KEK-PS, który działał w Tsukubie do 2005 roku. J-PARC posiada trzy akceleratory cząstek, które sukcesywnie przyspieszają protony do 30 GeV:

• liniowy akcelerator LINAC o długości ok. 300 m i energii 400 MeV
• synchrotron RCS (ang. Rapid Cycling Synchrotron) o obwodzie ok. 350 m i energii 3 GeV
• synchrotron MR (ang. Main Ring, Pierścień Główny) o obwodzie 1600 m i energii 30 GeV.

Protony z LINACa wprowadzane są do synchrotronu RCS, ale planowany jest także oddzielny eksperyment z ich użyciem umożliwiający badania nad transmutacją odpadów promieniotwórczych. Około 96 procent protonów z RCS kierowanych jest linią wiązki do hali eksperymentalnej Materials and Life Sciences Experimental Facility (MLF), gdzie za pomocą tarcz spalacyjnych generowane są wiązki mionów i neutronów. Hala zlokalizowana jest w obrębie Pierścienia Głównego MR, do którego co około 3 sekundy wprowadzane jest pozostałe 4 procent protonów 3 GeV-owych. Główny pierścień obsługuje linie wiązek dla hali eksperymentów hadronów i eksperymentu Tōkai-to-Kamioka (T2K). Eksperyment T2K jest następcą eksperymentu K2K, który funkcjonował do końca 2005 roku korzystając z wiązki neutrin produkowanej przez KEK-PS. W ramach T2K wiązka neutrin (wytworzona za pomocą wiązki protonów z akceleratora MR) wysyłana jest do oddalonego o 295 km detektora Super-Kamiokande, gdzie w lutym 2010 roku zarejestrowano pierwsze neutrino.

J-PARC generuje wiązki wtórne o dużej mocy i, wraz ze Spallation Neutron Source (SNS) w Oak Ridge National Laboratory w USA i ISIS w Rutherford Appleton Laboratory w Wielkiej Brytanii, jest jednym z najpotężniejszych na świecie urządzeń do generowania wiązek mionów i neutronów.

Organizacja

Dyrektorzy Generalni

Nazwisko	Okres
Shigeki Suwa	1971–1977
Tetsuji Nishikawa	1977–1989
Hirotaki Sugawary	1989–2003
Yoji Totsuka	2003–2006
Atsuto Suzukiego	2006–2015
Masanori Yamauchi	2015–2024
Shoji Asai	od 2024 roku

KEK podlega nadzorowi japońskiego Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT), które zapewnia również jego finansowanie. KEK jest zarządzany przez jedenastoosobowy zarząd, któremu przewodniczy dyrektor generalny. Zatrudnia około 700 osób. W latach 2008–2011 odnotował średnio 80 000 osobodni korzystania z około 1000 eksperymentów, z czego jedna czwarta była wykorzystana przez naukowców zagranicznych. W tym okresie wydatki KEK wynosiły średnio 45 miliardów jenów (około 340 milionów euro) rocznie.

Oprócz administracji i kilku mniejszych działów – odpowiedzialnych m.in. za public relations, bezpieczeństwo czy współpracę międzynarodową – ośrodek badawczy podzielony jest na dwa duże instytuty badawcze oraz trzy departamenty odpowiedzialne za funkcjonowanie i rozwój obecnych i przyszłych akceleratorów i eksperymentów:

Institute of Particle and Nuclear Studies (IPNS)

IPNS prowadzi badania teoretyczne i eksperymentalne w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych i jądrowej. Badania eksperymentalne prowadzone są przede wszystkim przy użyciu dużych akceleratorów cząstek w Tsukubie (KEKB i SuperKEKB) i Tōkai (J-PARC), ale także jako partner w międzynarodowych kolaboracjach, takiej jak przy akceleratorze LHC w CERNie. KEK jest również zaangażowany w eksperyment POLARBEAR na pustyni Atakama, mający na celu pomiar polaryzacji kosmicznego promieniowania mikrofalowego tła, a także w rozwój i planowanie Międzynarodowego Zderzacza Liniowego (ILC), który może zostać zbudowany w Japonii.

Institute of Materials Structure Science (IMSS)

IMSS koncentruje się na badaniach struktury i funkcjonowania materiałów, wykorzystując wysokoenergetyczne fotony generowane przez akceleratory cząstek (promieniowanie synchrotronowe z Photon Factory) oraz wiązki mionów i neutronów ( Muon Science Laboratory (MSL) i Neutron Science Laboratorium (KENS) w J-PARC, w KEK-PS do 2005 roku). Szerokie spektrum badań interdyscyplinarnych obejmuje obszar nauk o materiałach i nauk przyrodniczych.

Accelerator Laboratory

Accelerator Laboratory obsługuje wszystkie akceleratory cząstek w KEK i stanowi podstawę centrum badawczego. Oprócz obsługi i konserwacji istniejących oraz budowy planowanych systemów, zajmuje się rozwojem istniejących i nowych komponentów akceleratorów.

Applied Research Laboratory

Laboratorium to odpowiada za ochronę przed promieniowaniem i ochronę środowiska, technologię komputerową i sieciową, dostarczanie ciekłego helu oraz obsługę akceleratorów i eksperymentów w swoich warsztatach mechanicznych. Prowadzi także własne badania w wyżej wymienionych obszarach oraz w zakresie kriogeniki i nadprzewodnictwa.

Department of Advanced Accelerator Technologies

Katedra zajmuje się opracowywaniem i testowaniem przyszłych akceleratorów cząstek i detektorów oraz ich komponentów, na przykład dla Międzynarodowego Zderzacza Liniowego czy ulepszonej metody generowania promieniowania synchrotronowego z wykorzystaniem liniaka z odzyskiem energii w zakresie GeV.

KEK utrzymuje kilka obiektów testowych dla swoich działań rozwojowych w dziedzinie technologii akceleratorów i w ciągu ostatnich kilku dekad dokonał przełomowych, pionierskich osiągnięć, szczególnie w dziedzinie magnesów nadprzewodzących i wnęk rezonansowych . Na przykład w latach 80. po raz pierwszy na świecie zastosowano nadprzewodzące wnęki rezonansowe jako elementy akceleratora w głównym pierścieniu TRISTAN, a wnęki rezonansowe typu Crab Cavities używane w KEKB stanowiły pierwsze udane wdrożenie koncepcji crab crossings, opracowanej 30 lat wcześniej przez Roberta Briana Palmera, w której lepszą penetrację w punkcie zderzenia, a tym samym wyższy współczynnik zderzeń, uzyskuje się poprzez nieznaczny obrót zderzających się wiązek cząstek.

Linki zewnętrzne

• High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
• Sprawozdania roczne KEK 1971–2011
• Photon Factory
• Współpraca eksperymentu Belle
• Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)

Literatura

• Yoshitaka Kimura, Nobukazu Toge: Pursuit of Accelerator Projects at KEK in Japan. (PDF; 2.9 MB) W: Alexander W. Chao, Weiren Chou: Reviews of Accelerator Science and Technology – Vol. 5: Applications Of Superconducting Technology To Accelerators. World Scientific 2012, ISBN 978-981-4449-94-6, s. 333–360, doi .