基本介紹
- 中文名：高能加速器研究機構
- 外文名：High Energy Accelerator Research Organization
- 簡稱：KEK
簡介,組織架構,科學裝置,發展態勢,
簡介
日本高能物理研究所KEK（National Laboratory for High Energy Physics）成立於1971年，是隸屬日本文部省的國家實驗室，從事高能物理、核物理和加速器技術研究。12 GeV的質子同步加速器是KEK的第一個大型設施，自1976年啟用後發揮了重要作用。
1997年4月1日，文部省將KEK與東京大學原子核科學研究所INS（Institute for Nuclear Study）、東京大學理學院附屬的介子科學實驗室MSL(Muon Science Laboratory）合併，成立了高能加速器研究機構（High Energy Accelerator Research Organization），英文縮寫仍沿用KEK。其定位是：發展粒子加速器，並且利用它們，開展粒子物理、核物理和材料功能和結構的研究。進行這一重組的目的是有效利用三個研究所的資源，促進不同領域研究者的緊密合作；增強國際競爭地位。KEK重組後分別成立了粒子物理與核物理研究所以及材料科學研究所。材料科學研究所的科學目標是：利用各種先進的束流，如同步輻射光、中子、介子開展多學科的研究，包括物理學、化學、生物學、醫學和農業科學，特別是材料科學的前沿領域。支撐這些研究的大科學裝置有同步輻射裝置-光子工廠（PF）、脈衝散裂中子裝置（KENS）和強介子束裝置等。
身為原高能物理研究所教授、基本粒子原子核研究所所長、歷任高能加速器研究機構理事、高能加速器研究機名譽教授(2009年1月為特別榮譽教授)的小林誠，在該機構的貝爾實驗數據的支持下，得到2008年的諾貝爾物理學獎。
組織架構
由以下四大單位所組成：
基本粒子原子核研究所物質結構科學研究所加速器研究設施：KEK研究活動的根基共通基礎研究設施：研究活動的輔助設施
科學裝置
質子同步加速器PS 1976年開始運行
質子同步加速器PS（Proton Synchrotron）能量為12 GeV，1976年建成。1977年5 月，利用給泡室提供快引出束流和內部靶給計數器實驗提供束流。1978年4 月，利用從質子加速器慢引出的束流開展計數器實驗。1992年4月，氘束流被PS加速，成功地用於物理實驗。1992年10月，超導譜儀建成開始物理實驗。1995年，a束流被PS加速，成功地用於物理實驗。1999年3月，開始K2K長基線中微子實驗。2006年停止運行，之後實驗轉移至位於該茨城縣東海村的J-PARC（2008啟用）中心進行。
脈衝散裂中子裝置KENS 1980年開始運行
KEK的散裂中子源KENS 1980年開始向國內外科學家開放，它作為日本的中子科學研究中心發揮了重要的作用，每年提交的實驗課題申請超過100份，在生物、化學、凝聚態物理、核物理等領域取得了豐碩的研究成果。
光子工廠PF 1983年開始運行
光子工廠PF（Photon Factory）是日本的第一個大型專用同步輻射裝置，儲存環周長187米，能量為2.5 GeV，1983年建成。有21條光束線對外開放，包括從插入件引出的6條光束線和彎轉磁鐵引出的15條光束線。PF可為物理、化學、生物學和醫學科學領域裡的科學家提供高亮度的X射線和紫外線光。
為獲得更低的束流發射度，PF儲存環於1997年進行了大規模的改造，束流的發射度從130降到36 nm*rad，可提供亮度更高的同步輻射光。
可轉移對撞型儲存環加速器TRISTAN 1986年開始運行
1986年建成的可轉移對撞型儲存環加速器TRISTAN（Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon）耗資870億日元，費時5年。其主要目標之一在於尋找頂夸克，但頂夸克的質量遠大於原先理論學家的預期，超過此加速器的原始設計，科學目標無法實現，最後頂夸克在美國費米實驗室的加速器中發現。1984年TRISTAN建造成功，1995年停止運行。
非對稱正負電子對撞機KEKB（B介子工廠）1998年開始運行
非對稱正負電子對撞機KEKB 為周長3公里的圓形對撞加速器。由8 GeV能量的電子與3.5GeV能量的正電子對撞，產生大量的B介子和反B介子，因此也稱為B介子工廠。KEKB 沿用了TRISTAN的地下隧道，耗資380億日元進行偏轉聚焦磁鐵、束流管與超導高頻加速空腔(Cavity)的升級改裝工作，1998年開始運行。
KEKB每年產生約1億個B介子・反B介子衰變的事例，由位於對撞點的Belle探測器來進行分析。Belle實驗組由13個國家、53個研究單位、約300位研究人員組成，進行CP破壞（粒子與反粒子性質的不同）的研究，對於目前宇宙中反物質消失的一大謎團，CP破壞是相當重要的一大關鍵，而在B介子衰變的系統下，理論學家預期可以觀察到很大的CP破壞的現象，Belle 實驗受到世界矚目。
KEKB每年產生約1億個B介子・反B介子衰變的事例，由位於對撞點的Belle探測器來進行分析。Belle實驗組由13個國家、53個研究單位、約300位研究人員組成，進行CP破壞（粒子與反粒子性質的不同）的研究，對於目前宇宙中反物質消失的一大謎團，CP破壞是相當重要的一大關鍵，而在B介子衰變的系統下，理論學家預期可以觀察到很大的CP破壞的現象，Belle 實驗受到世界矚目。
加速器試驗裝置ATF 1997年開始運行
加速器試驗裝置ATF（Accelerator Test Facility）是KEK用於研究直線對撞機等未來加速器上所需的高穩定性、超平行電子束生成的試驗裝置。1997年開始運行，能量為1.28 GeV。ATF 成功地產生了平行度為以前的加速器約100倍的超平行電子束，在納米水平上穩定地對電子束的位置進行控制的研究被稱為 ATF2，它的計畫、設計、建造將在10個國家、27個研究機構形成的國際聯合力量下進行。
光子工廠先進環PF-AR 2002年開始運行
光子工廠先進環PF-AR（Photon Factory advanced ring）原為TRISTAN正負電子對撞機的增強器，後用作專用同步輻射光源，電子束流能量為6.5 GeV。來自直線加速器加速的部分電子注入兩個儲存環（PF和AR），所產生的同步光用於開展大量的實驗，其研究領域涉及物理、化學、生物等多個學科。PF-AR於1999年起進行改進，包括提高環的真空度增加束流壽命；增加束流位置監視器和導向磁鐵，穩定束流軌道和建造更多的波盪器束流線。2001年，改進工作完成，2002年1月8 日開始調試，PF-AR現有7條光束線。
共建質子同步加速器J-PARC 2009年開始運行
質子同步加速器J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex）由KEK與日本原子能研究所JAERI（Japan Atomic Energy Research Institute）聯合建造。其起因是KEK提出了一個建造強子加速器JHF（Japan Housing Finance Agency）的建議，而JAERI提出了建造高功率散裂中子源的建議。這兩個建議的共同目標是獲得高功率的質子束流，因此日本政府將這兩個項目合併成一個聯合項目，裝置建在JAERI的東洋場址。J-PARC由400 MeV直線加速器、3GeV同步加速器和50GeV同步加速器構成。3GeV加速器具有中子源和μ介子源的物質、生命科學實驗設備。50GeV同步加速器發出的質子束注入到核物理及粒子物理實驗設備和中微子實驗設備（利用300公里外的超級神岡作為探測器開展中微子震盪實驗）。J-PARC於2001年4月開始建設，2009年1月正式啟用。
發展態勢
KEK近期主要的科研活動包括：在B工廠繼續做出具有世界水準的物理研究工作，積極推進J-PARC散裂中子源和質子加速器的調試運行，加強光子工廠在生命科學領域的套用研究，國際直線對撞機相關技術的研發。KEK中長期的發展方向包括：將B介子工廠升級為超級B介子工廠，能量回收直線加速器的技術研發，國際直線對撞機相關的技術研發以及測試裝置，將包括50GeV質子加速器、3GeV散裂中子源等在內的J-PARC綜合研究設施建成世界級的輕子、中子物理研究基地。
綜上所述，日本大型科研基地的形成，採用了強強聯合的模式，1983年KEK建成日本第一個大型同步輻射裝置PF時還沒有自己的多學科研究部門。1997年與核科學研究所（INS）、東京大學介子科學實驗室（MSL）合併後集中了三個研究所的資源，促進了多學科領域科學研究的緊密合作。逐步建設起來的多個大科學裝置有力地支撐了多學科研究的發展，KEK成為開展高能物理研究、核科學研究和其它多學科研究的大型綜合性研究基地。
2001年，KEK跨地域與日本原子能研究所JAERI聯合建造大型質子同步加速器J-PARC。這次的強強聯合，是日本擁有了探索宇宙形成和粒子微觀物質結構的基礎研究裝置，J-PARC成為國際上最重要的大型質子加速器之一，其涉及的研究領域非常廣泛，包括核物理、粒子物理、凝聚態物理、材料科學和結構生物學等，對提升日本在國際上的科技競爭力起到了重要的作用。
而日本原子能研究所JAERI在2005年10月又與日本核燃料循環開發機構JNC（Japan Nuclear Cycle Development Institute）合併成為日本原子能研究開發機構JEAE，成為日本最主要的大型綜合核研發機構，擁有10個研究設施，每年經費預算約1610億日元（17億美元），僅2006年就獲得了日本政府2004億日元的預算撥款。JEAE的研究範圍包括了研究堆、試驗堆、聚變、基本粒子研究等廣泛的領域，並參加了國際熱核試驗堆計畫ITER。
值得注意的是KEK本身位於日本的筑波科學城。筑波科學城位於東京東北約60公里處（距成田國際機場40公里），占地面積2700多公頃，如加上環繞外圍的技術園區共占地達258.5平方公里。筑波科學城1958年開始規劃，1968年開始建設，目前已有幾十個國家研究所（約占日本40%的主要科研機構）、部分私人研究所和筑波大學等在此集聚，從事科學研究的總人數已達2.2萬人，國家研究機構全部預算的5O%左右投資在這裡，lO多年來，已投下的巨資達兩萬多億日元。筑波科學城設有宇宙研究中心，擁有最先進的質子加速器；工業試驗研究中心，包括工業技術院的9個研究所；農業科研實驗中心；研究人類的靈長類試驗站；高空氣象台等，為日本利用西方科技振興本國經濟立下了汗馬功勞，現已成為日本最大的科學中心和知識中心，是日本在先進科學技術方面敢於向美國等大國挑戰的重要支柱，其發展前景不可低估。
