mały| 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 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 KEKHistory – About KEK. Offizielle Webseite der High Energy Accelerator Research Organization, KEK. Abgerufen am 4. Dezember 2015..
Akceleratory i eksperymenty
Synchrotron protonowy (KEK-PS) mały| KEK-PS, TRISTAN i Photon Factory w KEK w Tsukubie W ramach przekształcenia Tsukuby w „Miasto Nauki” rozpoczętego w 1970 r.Historical Background and Perception of the Times. Tsukuba-Science City Network. Abgerufen am 8. September 2013. 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.Neutron Science Laboratory and Meson Science Laboratory. KEK News, Vol. 1, Nr. 2, 1998, , S. 1–6 (online).
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-PSSatoshi Ozaki: Report of the 2004 KEK PS External Review Committee. (PDF; 329 kB) High Energy Accelerator Research Organization (KEK), External Review Committee, Tsukuba 2004, S. 2–15..
Photon Factory (PF) i TRISTAN mały| 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-uYoshitaka Kimura: The Performance of TRISTAN and Accelerator Development at KEK. (PDF; 676 kB) In: Proc. of the 2nd European Particle Accelerator Conference. Nizza, Frankreich, 12.–16. Juni 1990, S. 23–27.). 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.T. Higo et al.: Linac Upgrade in Intensity and Emittance for SuperKEKB. (PDF; 758 kB) In: Proc. of the IPAC2012. New Orleans, USA, 20.–25. Mai 2012, S. 1819–1821. 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 rokuYoshitaka Kimura: The Performance of TRISTAN and Accelerator Development at KEK. (PDF; 676 kB) In: Proc. of the 2nd European Particle Accelerator Conference. Nizza, Frankreich, 12.–16. Juni 1990, S. 23–27..
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 godzinHironori Nakao et al. (Hrsg.): Photon Factory Activity Report 2011 – Part A "Highlights and Facility Report". High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba 2012, , S. 84–110.. 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 mały| Akcelerator cząstek KEKB w KEK w Tsukubie lewo|mały| 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)Yoshitaka Kimura: FROM TRISTAN TO B–FACTORY. (PDF; 1,6 MB) In: IPAC'10 – Special Lectures to Commemorate the 120th Anniversary of Birth of Yoshio Nishina. Kyoto, Japan, 23. Mai 2010..
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.