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4. トリスタンと加速器科学
4.3 加速器理学に関する研究
4_3_1 電子ビームのスピン放射偏極
電子（または陽電子）が蓄積リングの中を回っているうちに、放射光を放出しながら自然にそのスピンの向きが揃ってくる現象を放射偏極、または自然偏極という。1963年にSokolovとTernovは、一様な磁場の中を運動する電子（または陽電子）のシンクロトロン放射光パワーのうち10-11がスピンフリップに関与することにより、電子のスピンは磁場と逆向きに、陽電子は磁場の向きに偏極することを指摘した。そのためシンクロトロン放射による偏極の機構は、Sokolov-Ternov効果と呼ばれる。完全に一様な磁場中を円運動する電子の到達できる最高偏極度は、92.4%で非常に緩やかに平衡状態に達する。平衡状態に達するまでの特性時間が偏極時間で、電子のエネルギーの5乗に逆比例し、円運動の半径の３乗に比例する。電子ビームのエネルギーをE (GeV)とすると、偏極時間はトリスタンでは2.9x109/E5秒で与えられ、トリスタンのビームエネルギー30GeVでは約2分で偏極することになる。この偏極時間はHERAやLEPに比べ極端に短い。
実際の蓄積リングでは、ビームを導く磁場は種々のタイプのマグネットから構成されており、マグネットのアライメントや磁場のエラーのため電子の軌道はもはや単純な円運動ではなく、歪んだ閉軌道を描くために、電子は様々な方向の磁場の作用を受け、軌道が曲げられるだけでなくスピンも回転を受ける。そのため偏向磁場の向きとスピンの向きは平行ではなくなり、Sokolov-Ternov効果による偏極作用が減少する。他にも、スピンフリップを伴わないシンクロトロン放射によるスピンの確率過程的運動が、電子のベータトロン運動やシンクロトロン運動と共鳴して起こす消極作用があり、実際の加速器では、放射偏極作用がこれらの消極効果と競い合って平衡状態のスピン偏極度が決まる。
高エネルギー電子ビームの偏極の測定には、円偏光レーザー光を電子ビームにあて電子・光子散乱すなわちコンプトン散乱を検出する方法がよく使われ、コンプトンポーラリメータと呼ばれている。この場合、レーザー光子は電子ビームの方向へ後方散乱される。レーザーの円偏向を左右切り換えると、横偏極電子に対する
線の散乱角分布には上下または左右の非対称性、縦偏極電子に対してはエネルギー分布に差が現れる。従って、後方散乱線の上下分布またはエネルギー分布を測定し、左右円偏光に対する非対称度を求め、100%偏極のときの非対称度に対する比として電子ビームの偏極度を計測できる。
トリスタン主リングに設置されたポーラリメータの模式図を図74に示す。測定システムは、レーザーおよび偏光を制御する光学系、レーザービームを蓄積リングのビームパイプの中に導き電子ビームにあてるための光路、および
線検出器から構成されている。偏極測定には、レーザーの機種により一光子計数法と多光子計数法の２通りの方法がある。一光子計数法は、小パワーで繰り返しの速いレーザーを用い、電子ビームとレーザーパルスの1回の衝突で1個以下のコンプトン散乱を起こし、線を１個ずつ検出する方法で、線の角分布とエネルギー分布を同時に計ることができ、横偏極および縦偏極を同時に測定することができる。このためのレーザーとして波長514.5nm（2.41eV）、ピークパワー100W、パルス幅15ns、2バンチモード200kHzの電子ビームの繰り返しに同期できるArイオンレーザーを使用した。多光子計数法は高出力低繰り返しのレーザーを用いて、1回の衝突で多数の線を散乱させその角分布を計る方法で、横偏極を高速で測定することができる。このためのレーザーとして波長532nm、パルスエネルギー100mJ、パルス幅10ns、繰り返し10HzのNd:YAGレーザーを使用した。レーザーの直線偏光は、ポッケルスセルと1/4波長板によって左右の円偏光に変換され、電子ビームとの衝突点で半径約1mmのスポットに集光される。後方散乱された線は、リングのアーク部で電子ビームと分かれ衝突点から約40m離れた線検出器に入る。線検出器は、タングステンコンバーター、位置検出用のシリコンマイクロストリップ検出器、エネルギー測定用の鉛ガラスカロリメーターからなる。
