T2K 実験ニュートリノビーム増強のための	 
J-PARC	 MR	 Intra-Bunch	 Feedback	 System の開発	 	 	 	 京都大学理学研究科	  高エネルギー物理学研究室	  	  	 仲村	  佳悟	 
イントロダクション	 	  T2K 実験は長基線ニュートリノ振動実験で茨城県東海村にある J-PARC(Japan	 Proton	 Accelerator	 Research	 Complex)から発射されたミューニュートリノビームを生成点直後にある前置検出器と 295	 km離れた岐阜県飛騨市に位置するスーパーカミオカンデで観測する。2014 年には電子ニュートリノ出現を発見し、現在は反ニュートリノでの電子ニュートリノ出現、ミューニュートリノ消失の測定、及び CP対称性を破る位相の探索を目指している。CP を破る位相の探索には電子ニュートリノ出現と反電子ニュートリノ出現の精密測定が必要で、統計誤差の削減、つまり J-PARC から発射する陽子ビームの粒子数を増やすことが最も重要である[1]。	 	 J-PARC は 400MeV	 LINIAC、	 3GeV	 Rapid	 Cycling	 Synchrotron(RCS)、	 30GeV	 Main	 Ring(MR)の３つの加速器から構成されている。	 RCS	 は 2 バンチ、MR は 8 バンチまで加速でき、RCS から MR へは 40ms 毎に 4 回入射し加速される。陽子ビームは 2.48s 毎にニュートリノビームラインへ送られ、ニュートリノを生成し、スーパーカミオカンデへ向けて発射される。	 

フィードバックシステム	 J-PARC	 MR の設計強度は 750kW であるが、現在 240kW と約 1/3 で運転している。J-PARC	 主リングで粒子数を制限しているものの一つにビームが発生させる電磁場をビーム自身が感じることで
図 1 バンチ内フィードバックシステムの概要
ビームが不安定になりビームロスを引き	 起こすビーム不安定性があげられる。J-PARC ではバンチの平均位置を検出しその位置を補正するようにキックを加えるバンチ毎フィードバックシステムが開発され、ビーム不安定性を抑えることに成功した[2]。しかしバンチ毎フィードバックシステムはバンチ内振動を抑制することができず、このバンチ内振動によって不安定性が引き起こされてしまう。そこで新たにバンチ内までフィードバックをかけるバンチ内フィードバックシステム(Intra-bunch	 Feedback	 system)を開発している(図 1)。	 

ビーム位置モニタ
このシステムには、バンチ内振動を観測するために高周波まで感度を持つビーム位置モニタ(BPM)が必要である。BPM は電極を４つ持ち、上下(左右)の出力電圧の非対称性が位置に比例することを用いて、ビームの重心位置を測定する装置である。現在観測されているバンチ内振動は 50MHz であり、将来起きると予想されている電子雲不安定性では 600MHz-800MHzの振動が現れると予測されている。これらの振動を測定できるように、1	 GHz 程度までは感度を持たせる必要がある。高周波まで観測可能な BPM としては長い電極を持つストリップライン型 BPM があるが、周波数が f=nπc/L(n は整数、c は光速、

図 2 BPM の内部

L は電極の長さ)の部分で感度を持たない。そこで、電極の形状を指数関数型にすることで、高周波まで感度がない部分をなくすことができる[3]。	 
この BPM を作成し(図 2)、ワイヤーに電流を流して測定物の応答を見るワイヤー法で位置感度係数及び転送インピーダンスを測定した。位置感度係数は出力電圧の非対称性と位置の比例係数であり、ワイヤーを-30 mm から+30 mm 動かした時の非対称性を 3 次関数でフィットした時の一次の係数とすることで求めた。この BPM は 1 GHz まで平均して 37.17±0.07 となり、計算値の 36.9 と約 7%の誤差で一致した。
転送インピーダンスは入力電流と出力電圧の比で、出力の大きさ及び、感度を表すパラメータである。転送インピーダン
スはワイヤーに流れた電流と、出力電圧の比を取ることで導出した。その結果、計算値とは 1 GHz まで約 15%の精度で一致することを確認した。
現在バンチ内フィードバックシステムはクロック周波数108MHz で駆動しており、位置感度係数及び転送インピーダンスが十分に要求を満たしているため、この BPM をビームラインにインストールし、バンチ内フィードバックシステムに使用し、バンチ内フィードバックによる内部振動抑制試験を行った。

フィードバック試験

図 3 ワイヤー位置と非対称性の相関図 4 BPM の転送インピーダンス

J-PARC では 3,4 回目の入射の時に入射キッカーの立ち下がりの磁場や反射によって、既に MR に入っているバンチを蹴ってしまい、振動が発生しビームロスが起きている問題がある。このキッカーによる振動の抑制をフィードバックシステムで抑制できるかの試験を行った。ビームは粒子数 2.7×1013、エネル
ギー3GeV、クロマティシティ 0、ベータトロンチューン 0.41、シンクロトロンチューン 0.0017 の条件のビームを用いた。この強度は現在の運転強度の約 1/5 に当たる。

図 5 ビームの横方向の振幅と、周波数成分の遷移。それぞれ、左がフィードバックオフの場合、真ん中がバンチ毎フィードバックの場合、右がバンチ内フィードバックの場合。
図 5 はフィードバックなし、バンチ毎フィードバック、バンチ内フィードバックそれぞれの場合のビームの振幅をリングの周回ごとにプロットしたものと、このプロットを 200 ターンごとにフーリエ変換したものである。フィードバックシステムなしの場合とバンチ毎フィードバックと比較するとバンチ内フィードバックは非常に速く振動を抑制出てきているのが確認できた。また、バンチの振動の様子を 100ターン毎に見たのが図 6 である。各プロットでは BPM の左右の出力を引き算した信号を 5 ターン毎に10 回重ね書きをしている。

キック直後

100周後

200周後

300周後

フィードバックオフ

BxBフィードバック

IBフィードバック

図 7 バンチ内振動の様子。キック直後から 100 ターンずつに 5 ターン毎に 10 回プロットしている。
この図からもわかるようにバンチ内フィードバックではバンチ内の振動を抑制できることが確認できた[4]。同様に垂直方向に発生している不安定性に対する試験を行い、不安定性によるビームロスを削減することに成功した(図 8)。
また、マクロ粒子を用いたシミュレーションを自作し、水平方向のフィードバックシステムの特徴を定性的ではあるが再現することができた。

図 8 フィードバックオフの場合(左)とバンチ内フィードバックシステムをオンにした時(右)の残存粒子数

ニュートリノビーム
バンチ内フィードバックシステムは 2014 年 5 月より、ニュートリノ利用運転に組み込まれている。バンチ内フィードバックシステムの導入により、入射でのロスを 370W から 170W まで軽減することに成功した(図 9)。2014 年 12 月には現在の最高強度である 260kW の利用運転を達成した。ニュートリノビームラインへは 2014 年の 1 年間で 1.8×1020 POT(Protons On Target:ターゲットに当たった粒子数)のビームを供給した(図 10)。この供給量は T2K 実験の目標 POT の約 2%に当たる。

図 9 三回目の入射での粒子数

図 10 T2K 実験で 2014 年に取得したデータ。紫が反ニュートリノでのデータである。また、線は積算 POT を表している。

結論
T2K 実験はニュートリノビームの増強が最重要課題である。J=PARC	  MR においてビームロスを抑えるバンチ内フィードバックシステム及び、その要素の一つである BPM を開発し、実際にビームロスを削減することに成功した。ニュートリノ利用運転に組み込み、2014 年 1 年間で 1.8×1020POT のデータを供給した。このデータ量は T2K 実験の目標の約 2%に当たる。
2017 年には電源と加速空洞の改良によって 2.48s から 1.0s まで繰り返しが速くなる予定である。この時までに現行電源で 400kW まで強度が上がれば設計値の 750kW を達成できる。今後もバンチ内フィードバックシステムの改良や不安定性の研究を続けることで 400kW を目指していく。

参考文献[1] K. Abe et al., "Neutrino Oscillation Physics Potential of the T2K Experiment", arXiv:1409.7469 [hep-ex][2] Y. Kurimoto et al., “The bunch by bunch feedback system in J-PARC Main Ring”, Proceedings ofDIPAC2011, Hamburg, Germany, May 16-18, 2011.
[3] T. Linnecar, “The high frequency longitudinal and transverse pick-ups used in the SPS”,CERN-SPS
ARF/78-17 (1978).
[4] K. Nakamura et al., "INTRA-BUNCH FEEDBACK SYSTEM FOR THE J-PARC MAIN RING"
Proceedings of IPAC2014 p.2786, Dresden, Germeny, 2014