シンクロトロン光の威力

高能物理研究所（IHEP）は、中国最大の素粒子物理学の研究所です。IHEPでは、1400名以上の常勤職員が、最小の素粒子から宇宙の大規模構造まで、最も基本的な水準で宇宙の謎を解き明かそうと熱心に取り組んでいます。IHEPでは、宇宙粒子を含む素粒子物理学の基礎研究に加え、物質科学、化学工学、環境科学などの学際的なフロンティア研究を幅広く行っており、ヒッグス粒子やZ粒子の生成のための電子・陽電子衝突型加速器などの最新の加速器技術や、ハイテク産業化の革新的な可能性についても研究を行っています。

IHEPの歴史は、中華人民共和国建国の翌年、1950年に設立された現近代物理研究所まで遡ります。当研究所自体は、この研究所のナンバーワンとしてスタートし、1973年に独立した研究所となりました。現在では、国際的な素粒子物理学のコミュニティにおいて重要な役割を担っています。また、アジア、ヨーロッパ、北米の13カ国、約20の研究機関と公式な協力協定を結ぶなど、世界中の他の研究チームと密接な関係を保っています。その一例が「米中高エネルギー物理学合同委員会」で、30年以上前から存在するアメリカと中国の研究者による共同研究で、数多くの科学的ブレークスルーを生み出しています。2012年3月に、IHEPの研究者が大亜湾原子炉ニュートリノ実験において新しいタイプのニュートリノ振動を発見したことは、有名な科学雑誌『サイエンス』による2012年の10大科学的発見の一つに挙げられています。

1951年に設立され、後にIHEPに組み込まれた素粒子宇宙物理学研究所も、宇宙背景放射に関する世界有数の研究センターとしての地位を確立しています。その他、北京電子陽電子衝突型加速器（タウ・チャーム領域）、最大500kWのエネルギーを持つ核破砕中性子源を生成する中国核破砕中性子源プロジェクト、ニュートリノの質量階層を正確に決定する江門地下ニュートリノ天文台などのIHEPプロジェクトは、中国で最も重要な科学施設の一つである。また、チベット高原にある陽巴京宇宙線観測所では、6万平方メートルを超えるアレイで超高エネルギーの宇宙ガンマ線を連続的に記録する研究施設として、IHEPが中心的役割を果たしているのは驚くことではありません。ここでも、中伊の共同研究ARGO-YBJ（Astroparticle Physics Research at Ground-based Observatory Yangbajing）や、太陽活動の影響を受けた太陽・惑星間磁場の性質を調べる日中共同プロジェクトなど、IHEPの長年にわたる国際高エネルギー物理学界での信頼関係が実を結びつつあります。

IHEP主要プロジェクトの一つに、高エネルギー光子源（HEPS）があります。これは、6GeVのエネルギーと60pm-rad以下のエミッタンスを持つ非常に強力なシンクロトロン光源です。1-1022 Sch以上の輝度を持つHEPSは、世界で最も明るい放射光X線源の一つになることでしょう。つまり、1‰の波長帯域幅の中で、1秒間に1022個の光子、平方ミリメートル、立体角であるmrad（ミリラディアン）を発生させます。基本的にHEPS施設は、加速器、ビームライン、エンドステーション、支援装置から構成されており、加速器は3台直列に接続されています。

• 電子蓄積リングは、周長1360m、ビームエネルギー6GeV、最大電流200mAで、水平方向の自然エミッタンス60pm-rad以下を達成するために、48個の改良型ハイブリッド7BA-ユニットで構成されています。この構造は超強力な4極および6極電磁石を必要とするため、ダイナミック・アパーチャーが小さくなり、極めて誤差が生じやすくなります。そのため、磁石とその供給装置は非常に高い精度で製作されなければなりません。また、加速器トンネルの建設では、微振動によるビームへの悪影響を最小限に抑えるための特別なプロセスを開発しなければならないのです。
• ブースターは周長約454mの電子シンクロトロン加速器で、電子蓄積リングに高エネルギービームを入射する前に、電子ビームを500MeVから6GeVまで加速するのに使用することができます。
• 線型加速器（リニアック）は、ブースターの入射器として機能しています。長さ約49m、出力エネルギーは500MeV、マクロパルス繰り返し周波数は50Hzで、熱陰極電子銃、ビームバンチングシステム、一連のSバンド定加速勾配の進行波型加速管で構成されています。

HEPSは、2016年に計画・許認可が開始され、2025年の完成予定とともに、中国初の高エネルギー専用放射光源となります。HEPSの開発者は、幅広い科学技術分野の発展を大きく後押しすることを期待しており、学際的な実験プラットフォームとして、物質とその原子レベルでの複雑な相互作用の理解を深める基礎研究を支援します。また、極めて高い分解能により、極微小領域での詳細な研究が可能となります。例えば、10nmの空間分解能は個々のナノ粒子の観測を可能にし、1meVのエネルギー分解能は量子物理学の最も微細な過程を深く理解することを可能にし、HEPSの時間分解能はわずか1psであり、高い繰り返し精度を実現しています。

非常に高いビームエネルギーと極低エミッタンスは、加速器、ビームライン、エンドステーションの設計と運用に最も高い要求をもたらします。この極めて困難なプロジェクトを成功させるため、HEPSの計画者は、メインリングとビームラインの建設に先立って、高エネルギー光子源テスト施設（HEPS-TF）の開発を決定しました。2016年から2018年までの2年半でゼロから建設されたこの試験施設は、完全に成功したことが証明されています。革新的なMBA技術による蓄積リングの設計により、ビームエネルギー6 GeVで60 pm-rad以下という要求される水平エミッタンスを確実に実現することができます。HEPS-TFはまた、高勾配四極子、真空チェンバーのNEGコーティング、磁石の信頼できる電源、ビームプロファイルの精密測定のためのKirkpatrick-Baezミラー光学系など、HEPSに必要な技術について開発者に他の貴重な洞察を与えています。さらに、HEPS-TFを利用して、ビームライン、高エネルギーX線モノクロメーター、ナノフォーカス・プローブ、ピクセルアレイ検出器、その他の高精度光学計測機器の試験と検証を行い、HEPSで使用できることを確認しました。

こうした試験結果の成功を受けて、HEPSは2017年、本格的な施設の建設に正式なゴーサインを出したのです。HEPSの開発者は当初、硬X線ナノプローブ用マルチモーダル・ビームライン、構造ダイナミクス用ビームライン、マイクロフォーカスX線源タンパク質結晶構造解析用ビームライン、高圧ビームラインなど14本のビームラインを提案していました。しかし、第1期工事終了後に開発者は蓄積リングの周囲に70本のビームラインとエンドステーションを追加することを決定しましたが、それ以来工事は予定通り進行しています。加速器ハードウェアシステム、磁石、RF共振器、線形加速器用電源など、必要な技術機器の調達と製作は順調に進んでいます。VAT社は、バルブサプライヤーとして、HEPS-TFの初期段階から、このエキサイティングで多面的なプロジェクトに密接に関与しています。例えば、当社の研究部門は、あるビームライン用に特殊なRFバルブを開発し、実用試験で優れた性能を発揮しました。VAT製全金属製バルブである47、48、54シリーズは、HEPSとHEPS-TFプラントの他の中心位置でも使用されています。「IHEP との協力関係は非常に建設的で信頼できるものでした。私たちのバルブ・ノウハウは、この権威ある研究プロジェクトに今後も貢献できると確信しています。」と、VAT社の セールスマネージャーであるJerry Zhang,氏は楽観的に将来を展望しています。