ILC加速器は初期計画として､衝突エネルギー250ギガ電子ボルト(GeV)の加速器を想定しています。ヒッグス粒子を大量に作り､その性質を詳しく調べることができるので｢ヒッグス・ファクトリー(ヒッグス工場）｣とも呼ばれます。ヒッグス粒子研究の成果を踏まえて､直線型加速器の拡張性を生かし､将来的にエネルギー増強を図ることが期待されています。将来構想としては､衝突エネルギー500 GeVから1テラ電子ボルト(TeV)､全長30〜50 キロメートルの展望を持っています。ILC加速器の主な構成は､(1)電子・陽電子源､(2)ダンピング(減衰)リング､(3)主線形加速器､(4)衝突点へのビーム供給システム(最終収束光学系)､(5)ビーム衝突点などです。

電子源で生成された電子ビームは､予備的な加速で速度を上げた後､ダンピングリングと呼ばれる周長3キロメートルの円形加速器に送られます。ここで､電子ビームの向きを進行方向と平行に揃え(向きのばらつきを減衰させ)､良質なビームを準備します。この後､電子ビームは主線形加速器の最上流端に送られて向きを変え､直線的に連続加速されます。陽電子も同様に段階的に加速されます。中央部から見て片側のトンネルには電子ビーム用の主線形加速器､反対側には陽電子ビーム用の主線形加速器が設置されます。ビームは､中央の衝突点の直近で強く絞り込まれて正面衝突します。ダンピングリングで超平行ビームに質を高めることで､主線形加速器での加速後､衝突点でビームをナノメートル(10億分の１メートル)レベルに絞りめます。

電子・陽電子の生成

素粒子は一般に｢スピン｣と呼ばれる自転するコマのような性質を持ち､スピンの向きには｢上向き｣｢下向き｣の２種類があります。スピンの向きが違うと同じ粒子でも性質が異なるため､スピンの向きを揃えると(偏極)､それぞれの向きの粒子を使って実験を行うことで､より多くの情報を引き出すことができます。

電圧をかけた電極にレーザー光線を当てると､電子が放出されます。レーザー光線を偏光(振動方向を一定にする)させると､放出される電子が偏極します。偏極した電子を約200億個の一塊(バンチ)としたものが電子ビームです。ILCでは､約1000分の1秒に1300バンチ､1秒間に5回(5ヘルツ)の頻度で電子ビームを打ち出します。

陽電子は､通常､自然には存在せず､作り出す必要があります。ILCでは､陽電子の生成に電子加速器を用います。高エネルギーに加速した電子ビームを｢アンジュレータ｣と呼ばれる繰り返し磁場の中を通し､蛇行させると放射光(ガンマ線)が発生します。そのガンマ線を金属標的に当てると､電子と陽電子の対が生まれます。そこから陽電子を選択して取り出して陽電子ビームを作ります(図７)。アンジュレータ内の偏向磁石の並べ方を工夫し､電子ビームを螺旋状に蛇行させると､出て来た光が偏光し､陽電子を偏極させることができます。スピンの向きは自在に変えることができ､精度の高い実験を行うことができます。

日本は偏極電子源技術で国際的にトップレベルの技術開発実績を上げています。

ダンピング

電子や陽電子のビームの広がりを抑え､平行度を高めるための一周3キロメートルの円型加速器がダンピングリングです。電子や陽電子を5GeVまで予備的に加速した後にリング内を周回させます。

ビームは衝突点の直前に､高さ6ナノメートル(10億分の１メートル)の極小サイズに絞り込むのですが､絞り込むためには平行度の高いビームにする必要があります。

ダンピングリングに入射される前の粒子は､様々な方向を向いています。リングを周回させると､個々の粒子から放射光が放出されます。放出と加速を繰り返すことで､ビームは向きのばらつきが減衰し､平行度が高まります。向きの揃ったビームほど､細く絞れます。主線形加速器にビームを送り込む前に行うこの行程は､ILCの実験に必須となる極小サイズのビーム(ナノビーム)実現のために非常に重要です。

線形加速

平行度が高められた電子と陽電子のビームは､主線形加速器に送られて高エネルギーに加速されます。

ビームの加速には加速電場を使います。直流の電場では､電圧が高くなりすぎると､どこかで放電が起きてしまいます。そこで現代の大型加速器では､一定の電圧内で周期的に極性を反転しつつ電圧が変化する､交流の高周波の電磁場(マイクロ波)で加速電場を作ります。ILCでは､1秒間に13億回極性を変える(1.3ギガヘルツ)高周波を｢加速空洞｣に送り込んで電磁場を蓄積し､その電場で電子ビームを加速します。

加速空洞はその名の通り中空の装置で､ILCでは９つの膨らみがある空洞(9セル空洞)が採用されます。各セルの中に､ピンクとグリーンで示した反対向きの電場がありますが､これが1秒間に13億回振動します。空洞の左からタイミングを合わせて電子を入射すると､サーファーが波に乗るように､9つのセル内で右向きの電場の中を通過し､次々と加速された電子が右から出て行くのです。

ビームの絞り込み

主線形加速器で加速された電子と陽電子のビームは､衝突点の直前に極小サイズに絞り込まれます。電子や陽電子は､大きさが測れないほど小さな粒子なので､多くは衝突点で衝突せずにすれ違います。そこで､ビームサイズを小さくすることでビーム内の粒子の密度を高めて衝突頻度を高めます。