Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 MOP050

ミューオン g-2/EDM 実験のための RFQ を用いたミューオン初期加速の現状
CURRENT STATUS OF THE MUON INITIAL ACCELERATION WITH RFQ FOR MUON
G-2/EDM EXPERMIENT
北村遼 ∗A) 、大谷将士 B) 、深尾祥紀 B) 、河村成肇 B) 、三部勉 B) 、三宅康博 B) 、下村浩一郎 B) 、近藤恭弘 C) 、長谷川和男 C) 、石田勝彦 D) 、Kim BongHoE) 、半澤光平 F) 、齋藤直人 G)
R. Kitamura∗ A) , M. OtaniB) , Y. FukaoB) , N KawamuraB) , T. MibeB) , Y. MiyakeB) , K. ShimomuraB) , Y. KondoC) ,K. HasegawaC) , K. IshidaD) , B. KimE) , K. HanzawaF) , N. SaitoG)
A)
University of Tokyo, B) KEK, C) JAEA, D) RIKEN, E) Seoul National University, F) Sokendai, G) J-PARC Center

Abstract
The muon linear accelerator for the muon g -2/EDM experiment in J-PARC is being developed. As the first step of themuon acceleration, the muon acceleration with J-PARC RFQ(Radio-Frequency Quadrupole)-II plans to be demonstrated
at H-line of J-PARC MLF. The slow muon will be obtained by the deceleration using the thin metal foil target in the RFQ
acceleration test. The intensity of the decelerated muon by the thin metal foil was measured and it was (3.3 ± 0.4) × 10−2/sec. Based on this result, the beam intensity in the RFQ test at H-line is estimated to be a few /sec. The particle simulationof the RFQ and the following beam diagnostics system is conducted, and it is shown that the emittance measurement at theRFQ exit using the micro-channel plate based beam profile monitor is feasible. RFQ itself is ready and the beam profile
detector for the emittance measurement has also been developed. All of the preparations for the initial acceleration test
using the RFQ were almost done.

1.

イントロダクション

ミューオンの異常磁気モーメント (g -2) は素粒子標
準模型に基づき精密な理論計算ができ、かつ高精度で測定されているために実験と理論の双方が高精度で比較可能な物理量の一つである。ミューオン g -2 を現在の世界最高精度で測定した米国ブルックヘブン国立研究所の E821 実験の結果 [1] は、標準模型に基づく予想と約 3.3σ の乖離を示しており、このずれが標準模型を超えた新物理の兆候を表していると考えられている。
我々が大強度陽子加速器施設 J-PARC で計画しているミューオン g-2/EDM 精密測定実験 (E34 実験)[2] では、先行実験とは全く独立なかつユニークな手法を用いることで g -2 の精密測定を目指している。実験の中核技術の一つがミューオン線形加速器である。ミュー
オン線形加速器実現に向けた一連の開発のうち、2 節
ではミューオン線形加速器とミューオン加速試験の概要について説明する。3 節では加速器試験用低速ミューオン源の開発と加速器の最初段に位置する静電加速器の準備状況について報告する。ミューオン加速試験で用いる低速ミューオン源には、後述するように迅速性を考慮して、本実験で用いるミューオニウム-イオン解離レーザー法 [3] に代えて、金属薄膜による低速ミューオン生成法を利用する。さらに
4 節ではミューオン線形加速器の初段 RF 加速器である RFQ(Radio-Frequency Quadrupole) の試験に向けたシミュレーション結果について述べ、5 節にてまとめている。

∗ rkita@post.kek.jp

2.

ミューオン加速器の開発状況

2.1

ミューオン線形加速器

E34 実験ではミューオン g -2 の高精度測定を実現するために、∆pt /p ∼ 10−5 と非常に指向性の高いビームが要求される。J-PARC で供給されるミューオンビー
ムは陽子からパイオンを経由して三次ビームとして取り出されるため、エミッタンスが 1000 π mm · mrad程度と非常に大きい。そこでミューオンを一旦冷却した後、加速することで、ビームの指向性を向上する。
ミューオンは寿命 2.2 µs で崩壊するため、加速器は速やかに加速可能な線形加速器が望ましい。
Figure 1 に E34 実験のミューオン線形加速器の概要を示す。J-PARC の大強度陽子ビームによって生成された運動エネルギー 4 MeV の表面ミューオンビームは、ミューオニウム生成標的及びイオン解離レーザーによる冷却で 25 meV 程度まで減速され、超低速ミューオンとなる。超低速ミューオンは静電加速器で引き出された後、RFQ、Interdigital H-mode Drift-Tube Linac(IHDTL) [4]、Disc And Washer Coupled Cavity Linac(DAWCCL)、Disc Loaded Structure(DLC) の各加速空洞により、最終的に 212 MeV まで加速される。ミューオン線形加速器全体の設計とビームシミュレーション、IHDTL 設計の詳細については、本学会の別の発表 [5][6]にて詳しく説明されている。
2.2

ミューオン加速試験

高指向性のミューオンビームを実現するためには、各加速段階でのビームエミッタンス増大を最小化することが重要となる。またミューオンの RF 加速は世界初の試みであり、早期の実証試験が急務である。
このミューオン線形加速器実現の第一段階として、我々は静電加速器及び RFQ によるミューオン加速試
験を計画している。Figure 2 に加速試験の概念図を示- 476 -

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Figure 1: An outline of the muon linac.

ミューオンビームを用いて測定した [11]。低速ミューオンの取り出しに用いる SOA レンズは RFQ 加速試
験でも使用可能であり、レンズ下流に RFQ を接続することで加速試験を実施することができる。この低速ミューオン生成実験は MLF D2 ポートで実施し、24時間のビーム試験を行った。

Beam

Targetchamber

Figure 2: The brief setup of the muon acceleration test.

SOA lens
Slowmuon~2.1 mす。低速ミューオンを引き出す静電加速器には、加速と収束を同時に行うことができる SOA レンズを使用する。この SOA レンズはかつて英国ラザフォード
アップルトン研究所で行われた超低速ミューオン実験 [7] の SOA レンズを転用し、既に後述の加速器試験用低速ミューオン源実験において、運転可能であることを実証している。また RFQ は J-PARC リニアッ
クの RFQ 予備機である RFQ-II[8] を利用する予定であり、オフラインでのパワー試験とバックグラウンド試験を実施済 [9] である。

3.

加速試験用低速ミューオン源開発

3.1

加速試験用低速ミューオン源開発の必要性Collimator(Lead)
Electrostatic
bending
Detector

Figure 3: The schematic view of the setup for the production of the slow positive muon.

E34 実験ではミューオニウム-イオン解離レーザーを組み合わせた冷却方法により、高効率で超低速ミューオン生成を実現する。ただしこの手法は原理的には既に確立しているものの、レーザーの設備が大規模かつ複雑化するため、迅速性に欠ける。そこで我々は金属薄膜による減速を利用した低速ミューオン生成方法 [10] に注目した。この方法では、表面ミューオンビームを金属薄膜標的に照射して減速させることで、運動エネルギー 1 keV 未満の低速ミューオン (µ+又は Mu−：µ+ と e− 2 つの束縛状態) を得ることができる。低速ミューオンの生成効率は上記のレーザーを用いる方法に比べて大きく下がるものの、装置が大幅に低コスト化及び簡略化できるため、R&D の迅速性において非常に優れている。E34 実験ではイオン解離レーザーの整備と加速器開発を同時並行することで、速やかな実験開始を目指している。
3.2

Electricquadrupole

金属薄膜による低速ミューオン生成実験

加速器試験を行う上で、金属薄膜法によりどの程度の強度の低速ミューオンが得られるのかを、実際のFigure 4: The experimental setup for the production of theslow positive muon.
Figure 3、4 に実験のセットアップを示す。今回の実験では運動量 25 MeV/c のミューオンビームをアルミ薄膜標的に照射した。入射したミューオンは減速されて低エネルギーの µ+ として放出される。この低- 477 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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速 µ+ を SOA レンズにより 7 keV まで加速したのち、静電偏向器でエネルギー選別した上で検出器まで輸送して、粒子の TOF とビーム強度を測定した。低速ミューオンのエネルギー領域では通常のシンチレータでは感度が足りないため、低エネルギー粒子に対する感度が高く、時間応答が速いという特徴を持つマイクロチャンネルプレート (MCP)[12] により低速ミューオンを直接測定した。また MCP を設置した真空チェンバーの周囲に板状のプラスチックシンチレータと波長変換ファイバー、MPPC からなる崩壊陽電子検出器 [13] を左右上面と 3 面 2 層、合計 6 台設置して、崩壊陽電子をタグすることで低速ミューオンを同定した。

膜法でも RFQ の加速試験を行うことが可能であることを実測データに基づき確認することができた。
Beam
Drift
space

RFQ-in

RFQ-out

Bending
RFQ
Detector

Drift space
SOA
lens

Figure 6: The setup for the simulation of the RFQ acceleration test.

4.2

RFQ による加速前後のでのビームプロファイル
1
シミュレーション

Figure 6 に RFQ によるミューオン加速試験のセットアップを示す。RFQ 加速試験において、金属薄膜で生成された低速ミューオンは SOA レンズにより RFQ 入射エネルギーである 5.6 keV まで加速された後、RFQに入射される。RFQ に入射したミューオンは 340 keVまで加速され、その後 RFQ 出射部に設置したセクター形電磁石により偏向して検出器に入る。検出器は MCPと蛍光板、CCD カメラから構成される 2 次元ビームプロファイルモニター (BPM) である。この電磁石とBPM を組み合わせることで、バックグラウンドとなる陽電子を除去した上でビームプロファイル及びエネルギー測定ができる。ビームのエミッタンスは BPM
Figure 5: Measured TOF distribution showed the peak of の位置を z 軸方向に前後させてビームプロファイル
the slow position muon. The peak position of the slow を 3 点以上で測定することにより算出することが可
muon in the data was consistent with the simulation.
能である。
Figure 7、8 に、シミュレーションによる RFQ 入射部と出射部でのビームの位相空間分布を示す[15]。RFQ
Figure 5 に TOF の測定結果を示す。MCP に入射し入射部でのビームは大きなエミッタンスを持っていた主たるバックグラウンドは崩壊陽電子によるものであり、寿命 2.2 µs の exponential でバックグラウン るが、RFQ の aperture でコリメートされるため、出射ドをフィットして、実データから差し引くことで低 部では RFQ の aperture 半径程度のビームとして出射速ミューオンの強度を算出した。測定した低速 µ+ の する。BPM でビーム径の測定を行うにはビーム径がTOF はシミュレーションによる予想結果と一致してお BPM の大きさ (半径 21 mm の円形) より小さい領域にり、検出器で測定したビーム強度は (3.3 ± 0.4) × 10−2 入る必要がある。そのため RFQ を出たビームは数十/sec であった [14]。測定結果及びシミュレーションに cm ドリフトさせてビーム径を調整した後、曲率半径よる評価から、低速 µ+ のビーム強度は入射ビームの 263 mm、偏向角度 45° のセクター形電磁石で偏向さ標的照射効率、低速ミューオン輸送用ビームラインの せてから、BPM へと入射する。
Figure 9 に BPM を z 軸方向に移動して測定した場
輸送効率と装置全体のエネルギーアクセプタンスに依合の、各点におけるx 方向の射影ビームプロファイル存していた。これらビームロス因子の寄与を勘案して分布を示す[16][17]。BPM
は数百 µm 程度の位置分解+低速 µ の転換効率を評価した結果、今回 J-PARC で能を有するため、BPMを±10cm 程度ずらして 3 点以測定した転換効率は先行実験の結果と概ね合致した。
上でビームプロファイルを測定すれば、ビームエミッタンスを測定することが可能であることがわかる。

4.

RFQ 加速試験シミュレーション

4.1

RFQ 加速試験時の入射低速ミューオン強度評価

ビーム試験で得られた低速 µ+ 生成効率の評価結果を元に、RFQ 加速試験時における RFQ 入射部での低速ミューオンのビーム強度をシミュレーションで評価した。加速試験は現在建設中の MLF H ラインのミューオンビームを使用する予定であり、1 MW 運転時を仮定して評価を行った。シミュレーションから予想される入射ビーム強度は数 /sec であり、金属薄

5.

まとめ

J-PARC E34 実験では、指向性の高いミューオンビー
ムにより先行実験とは異なる新手法でのミューオンg -2/EDM 精密測定を目指して、実験の中核技術であるミューオン線形加速器の開発を進めている。世界初のミューオン RF 加速実証に向けて、初段の RFQ を用いたミューオン加速試験に向けた準備を進めている。実験に必要な低速ミューオン源と、RFQ に入射- 478 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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100

20200

40150

35100

3010502550200-50

15-5-100

10-1020-150

5-15

100-20-20 -15 -10 -5Y [mm]25150

Y’ [mrad]X’ [mrad]

200

2070

1560
50

50
150-5010-100

4030

5-150
-200
-20 -15 -10 -50

510 15 200

X [mm]-200-20 -15 -10 -50510 15 20
Y [mm]

0510 15 200X [mm]

100

150

200

Y’ [mrad]X’ [mrad]

200

120

150

80

100
50600402080

1570

100

100

10508050-50

Y [mm]

Figure 7: Simulated phase space distribution at the RFQ input using the slow positive muon source.

60-5060
50040-530-102040-100

20-150-100-150-200-20 -15 -10 -50510 15 200X [mm]-200
-20 -15 -10 -50510 15 20
Y [mm]

20-150-20-20 -15 -10 -5100510 15 200X [mm]Figure 8: Simulated phase space distribution at the RFQ output using the slow positive muon source.

#event200180160140120100806040
200-20中間子研究室ミュオングループ、MLF ミュオン科学系グループ及び J-PARC LINAC グループの方々から多大なご助力を頂きました。この場をお借りして改めて御礼申し上げます。

D.L. = 140 mm
D.L. = 190 mm
D.L. = 240 mm
D.L. = 290 mm

参考文献

D.L. = 340 mm-15-10-505101520X [mm]Figure 9: Simulated beam profile for the x direction(horizontal) at the BPM location.

するための静電加速器については実際にミューオンビームを用いたビーム試験での動作確認を完了した。
低速ミューオン実験の結果とシミュレーションから、
RFQ 試験では RFQ 入射段階で数 /sec 程度のミューオンビーム強度が得られると評価できた。RFQ 自体の準備も既に整っており、BPM で予想されるビームプロファイルもシミュレーションにより評価済である。
BPM も開発が完了しており、加速試験に向けた全てのコンポーネントの最終準備を鋭意進めている。

謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP15H03666、JP16H03987、J15H05742、JP16J07784 の助成を受けたものです。また本研究を遂行するに当り、理化学研究所岩崎先端[1] G.W. Bennett et al., Phys. Rev.D 73 (2006) 072003.
[2] J-PARC E34 conceptual design report(2011, unpublished).
[3] G.A. Beer et al., Prog. Theor. Exp. Phys., 091 (2014) C01.
[4] M. Otani et al., Phys. Rev. Accel. Beams 19 (2016) 040101.
[5] M. Otani et al., Proceedings of PASJ2016, 2016.
[6] Y. Kondo et al., Proceedings of PASJ2016, 2016.
[7] P. Bakule et al., Nucl. Instr. and Meth. B 266 (2008) 335346.
[8] Y. Kondo et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 16 (040102)(2013) 040102.
[9] M. Otani et al., The JPS 2015 Autumn Meeting, 2015,25aSG6 (2015).
[10] Y. Kuang et al., Phys. Rev. A, 39, 6109 (1989).
[11] R. Kitamura, RIKEN Accelerator Progress Report 2015
(2015).
[12] R. Kitamura et al., The JPS 2015 Annual Meeting, 21aDF8(2015).
[13] R. Kitamura et al., The JPS 2015 Autumn Meeting, 25aSG7(2015).
[14] R. Kitamura et al., The JPS 2016 Annual Meeting, 19aAH1(2016).
[15] K. R. Crandall et al. RFQ design codes, LA-UR-96-1836
Revised December 7, 2005, Los Alamos National Laboratory, 1996.
[16] J. H. Billen et al. Parmila, LA-UR-98-4478 Revised July 26,2005, Los Alamos National Laboratory, 1998.
[17] K. R. Crandall, D. P. Rusthoi, ” Trace 3-D Documentation” ,Tech. rep., LA-UR-97-886 (1997).

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