J-PARC RCS パルス陽子ビームを活用したミュオン電子転換過程の探索実験
ー DeeMe ー（Direct-electron-emission-by-Muon-to-electron conversions）
清矢 良浩（阪公大理）
On behalf of the DeeMe Collaboration
2023/03/18
素粒子現象論研究会 2022（2023/03/16-18）
大阪公立大学 杉本キャンパス 学術情報総合センター 1階文化交流室

1

DeeMe Collaboration
青木正治A，Douglas BrymanB，長谷和哉C ，東野祐太A，池上雅紀D，入江吉郎E，金子聡C，河村成肇E，金正倫計D，小林仁E，牧村俊助E，松本浩E，明午伸一郎D，三原智E，三宅康博E，長尾大樹A，中津川洋平F，名取寛顕E，西口創E，沼尾登志男G，大森千広E，Stefan RittH，Pranab SahaD，齊藤直人E，清矢良浩C，I，志垣賢太J，下村浩一郎E，Patrick StrasserE，田川椋平C ，手島菜月E，Nguyen Duy ThongK，Nguyen Minh TruongL，山本風海D，
山本和弘C，I，山崎高幸E，吉井正人E

阪大理A， UBCB ，阪公大理C， JAEAD ， KEKE ，和歌山県立医大F ，TRIUMFG， PSIH， NITEPI，広島大J， VNUHCM-USK，UD-DavisL

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荷電レプトンフレーバー非保存過程（CLFV）
𝑒𝑒𝜇𝜇𝜏𝜏

•荷電レプトン間の遷移は検出されていない．理由は不明．

•

ニュートリノ振動を通しては可能．
•

しかしとても小さい効果: BR(μ → 𝑒𝑒𝛾𝛾) < 10−54 ．
••

今の実験技術では検出不可能．

標準模型を超える多くの模型では CLFV を含む.
•加速器技術の発展によりビームの高強度化が進んでいる．
••

探索感度は 𝒪𝒪 104 TeV に及ぶ（Snowmass 2021 レポート RF5)もし検出されれば新物理の決定的な証拠．

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3ミューオン・電子転換過程
ミュオン原子（1S）原子
核𝜇𝜇− 素粒子標準模型プロセス
1.

Muon Decay in Orbit (DIO)2.

𝜇𝜇 − → 𝑒𝑒 − 𝜈𝜈𝑒𝑒̅ 𝜈𝜈𝜇𝜇4
寿命 𝜏𝜏𝜇𝜇 ≈ 𝜇𝜇s のオーダー•

Muon Capture (MC) : C=8%，Si=66%
𝜇𝜇− + 𝐴𝐴, 𝑍𝑍 → 𝜈𝜈𝜇𝜇 + (𝐴𝐴, 𝑍𝑍 − 1)•𝜏𝜏𝜇𝜇 C𝜏𝜏𝜇𝜇 Si= 2.0 𝜇𝜇s

= 0.76 𝜇𝜇s

ミューオン・電子転換過程 （新物理）𝜇𝜇− + 𝐴𝐴, 𝑍𝑍 → 𝑒𝑒 − + (𝐴𝐴, 𝑍𝑍)

 荷電レプトンフレーバ非保存過程の一つ
 信号＝単色遅延電子（≈ 105 MeV/c）
 DIO が主要 BG

先行研究：分岐比（MC を 1 とする）上限値•••

4.6 × 10−12 （Ti）TRIUMF（1988）

4.3 × 10−12 （Ti）SINDUM-II @ PSI（1993）
7 × 10−13 （Au）SINDUM-II（2006）

素粒子現象論研究会 2022（2023/3/16-18）大阪公立大学 杉本キャンパスミューオン・電子転換過程

?

?
•
•

MEG 実験（μ → 𝑒𝑒𝛾𝛾 探索）は photonic に感度.
DeeMe は両方（相補的）•

単一事象感度（分岐比 @ 1 事象検出）•5~10−13 （炭素標的，データ取得 1 年間）•

一桁良い感度．

•

炭素標的を用いた探索は初．
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A. de Gouvêa, P. Vogel，Prog. Part. Nucl. Phys.
71, 75-92 (2013)を元に作成．

DeeMe の特徴

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大規模実験の例：Mu2e（Fermilab）• Al target−16 ) : 2025~2026• Run 1 (10•Run 2 (10−17•

COMET (Al target)) : 2029 Start

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Phase I (10−15 ) : 2022~2023 start
Phase II (10−17 ) : 202? startDeeMe の特徴

7炭素標的（直径 33 cm）

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DeeMe の特徴

8•

一次陽子標的内で生成されたミューオン原子を利用．

•

標的から出てくる 𝜇𝜇-𝑒𝑒 転換電子は汎用ビームラインで輸送し実験エリアで運動量測定

炭素標的（直径 33 cm）•小型，シンプル，低コスト，短期間．

•

異なる手法→バックグラウンドや系統誤差が異なる．

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J-PARC（大強度陽子加速器施設）
大阪から概ね6時間かかります茨城県那珂郡東海村
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J-PARC（大強度陽子加速器施設）

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11

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DeeMe 実験 @ J-PARC MLF MUSE

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DeeMe 実験 @ J-PARC MLF MUSE
プロトンビーム

RCS の 40 ms 間隔高品質ダブルパルス陽子ビーム
速い取り出し⇓遅延信号に対して低バックグラウンド

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DeeMe 実験 @ J-PARC MLF MUSE

H Line ＝大立体角捕獲ソレノイド・粒子輸送電磁石群
高統計・低運動量成分カット
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DeeMe 実験 @ J-PARC MLF MUSE
DeeMe 磁気スペクトロメータ

MWPC 2 台＋双極電磁石＋MWPC 2 台

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DeeMe 実験 @ J-PARC MLF MUSE
DeeMe 磁気スペクトロメータ
炭素標的, 𝐵𝐵𝑟𝑟 = 3 × 10−14 , 1 MW, ~1 year

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DeeMe 実験の単一事象感度18• ちなみに・・・
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1 MW = 2 × 10

protons
muonic atoms
10（シミュレーション）→ 10𝑠𝑠𝑠𝑠

現実のこの 1 秒を研究室の計算機でまともにシミュレーションしたとすると~200 年かかります・・・

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DeeMe 検出器の特徴

19• 1 次陽子標的からの汎用ビームラインを使用（低コスト）⇓• 陽子照射の瞬間に発生する大量の荷電粒子（即発バースト）• 𝒪𝒪(1014 ) 個が直接検出器に到来．（普通，検出器は 1 個の荷電粒子を検出するもの）⇓• 検出器に対して高負担（破損の可能性，あるいは飽和により検出不能に陥る）⇓• 瞬間的にビームをダンプするキッカー電磁石の導入？→高額なので没⇓今までにない全く新しい検出技術開発が必要
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DeeMe 検出器の特徴：HV スイッチング
3 mm
3 mm

カソードストリップ読み出し
・ x = 3mm，y = 15 mm
1.5 mm

即発バースト=70 GHz/mm2
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DeeMe 検出器の特徴：HV スイッチング
3 mm
3 mm

カソードストリップ読み出し
・ x = 3mm，y = 15 mm

Nominal waveform in red
Waveform of an event in black

1.5 mmElectron signal

Gas multiplication
Dead time

Electron signal

Subtracted waveform

即発バースト=70 GHz/mm2
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DeeMe 検出器の特徴：HV スイッチング

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DeeMe 検出器開発

MWPC

Preamps23

Preamp power-supply and readout boards

FADC boards

Completed.
Magnet and B field map

DAQ（データ取得システム）

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ついにビームライン完成．ビーム運転調整開始（2022/1/15）．
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長谷田川
金子

ついにビームライン完成．ビーム運転開始（2022/1/15）．
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DeeMe の歴史• 2009 年度：J-PARC MLF 炭素標的中のミューオン原子収量の測定（~1010 個/s @ 1 MW）．

• 2010 年度：KEK 物質構造科学研究所実験課題審査委員会第一次審査採択．
• 2012 年度：検出器開発開始（基盤(S)（2012～2016））• 2012 年 9 月： 青木さんが市大に説明に来る．

• 2013 年度：第 1 期（2014–2018）5ヶ年計画として第二次審査採択（実験遂行承認）．
• 2017 年度：実験開始に向けて準備継続（基盤(A)（2017～2019））• 2018 年度：検出器開発完了．H ライン未完成．第 2 期計画（2019–2023 年度）として 5 年延長．
• 2021 年度：実験開始に向けて準備継続（市大学内予算）．H ライン完成．
• 2022 年度：DeeMe 実験開始．

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DeeMe 検出器調整開始

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2022/5月～：ついに DeeMe 検出器設置，調整開始．

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28

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DeeMe 検出器調整開始

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DeeMe 検出器調整開始

30

ビーム

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DeeMe 検出器調整開始

ビーム
ヘリウムバッグ

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DeeMe 検出器調整開始• ビームパワー：700 kW ～ 800 kW• 初段の捕獲ソレノイド（3 つのソレノイドからなる）の電流• 想定電流（フルパワー） = (2500, 2500, 1500）A• 現時点で（1500, 1500, 0) A
• フルパワーと (1500, 1500, 900) A では 10 倍感度が違う．

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DeeMe 検出器調整：さあ，やろう！
• 壊れました・・・• MWPC 1 台で頻繁な放電．最終的にワイヤ切断が発生．
• 切断ワイヤを除去し，カプトンテープを挿入し修復を試みたり・・・• 3 回目の切断で断念．→ 根本的な修理を業者に依頼．（2022/10 完了）
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DeeMe 検出器調整
Run 14694

34• 運動量再構成に成功！
• ビームライン設定• 正 50 MeV/c 輸送• しかしながら，Backgrounds• バックグラウンドが存在．
• おそらくノイズの accidental
coincidence．
• 調査中．

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DeeMe 検出器調整 – 運動量較正
• 𝜋𝜋 + → 𝑒𝑒 + + 𝜈𝜈𝑒𝑒 の陽電子

• ビームライン途中に置いたアルミニウム板に 𝜋𝜋 + を止める
• 2 体崩壊で生成される陽電子（69.3 MeV/𝑐𝑐）で較正．

Placed thin Kapton foil and Al platefor calibration purposes.

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DeeMe 検出器調整 – 運動量較正
• 𝜇𝜇+ → 𝑒𝑒 + + 𝜈𝜈𝑒𝑒 + 𝜈𝜈𝜇𝜇̅ の陽電子

• ビームライン途中に置いたカプトンテープに 𝜇𝜇 + を止める• 崩壊陽電子のエッジ（ 52. 8 MeV/𝑐𝑐 ）で較正．

Placed thin Kapton foil and Al platefor calibration purposes.

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DeeMe 検出器調整 – 運動量較正
• 𝜇𝜇+ → 𝑒𝑒 + + 𝜈𝜈𝑒𝑒 + 𝜈𝜈𝜇𝜇̅ の陽電子

• ビームライン途中に置いたカプトンテープに 𝜇𝜇 + を止める• 崩壊陽電子のエッジ（ 52. 8 MeV/𝑐𝑐 ）で較正．

Placed thin Kapton foil and Al platefor calibration purposes.

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DeeMe 検出器調整 – 運動量較正38• しかし！
• HB1 をオフにしても運動量再構成されるイベントが存在．
• 標的から直接 HB1 をヒットするガンマ
Placed thin Kapton foil and Al platefor calibration purposes.

線が高運動量陽電子を生成し，それが検出器まで到来しているらしい．
• 調査中．

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まとめ• DeeMe コミッショニングを開始した．
• 基本的に全システム問題なく稼働．
• いくつかの解決すべき課題が存在．
• Accidental coincidences．
• 運動量較正において HB1 で生成される高運動量の陽電子バックグラウンド．
• 調査中．

• 2023 年度は DeeMe 実験遂行を承認されている最後の年度．
• 検出器調整後，すみやかに物理データ取得を開始する予定．

大強度ビーム・低コスト実験でどこまでできるか知見を積み重ねたい．

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Backup40