世界初のミューオン加速の実現とミューオン線型加速器の開発
1KEK/J-PARC

M. Otani

2SNU, 3JAEA, 4Nagoya Univ., 5Ibaraki Univ., 6BINP, 7Kyusyu Univ., 8Univ. of Tokyo, 9TIT

S. Bae2, H. Choi2, S. Choi2, E. Cicek1, H. Ego1,K. Futatsukawa1,K. Hasegawa3*, N. Hayashizaki9, K. Inami4, T. Iijima4, H. Iinuma5,
N. Kawamura1, Y. Kondo3, B. Kim2, H.S. Ko2, T. Mibe1, Y. Miyake1,T. Morishita2, Y. Nakazawa5, G.P. Razuvaev6, N. Saito1, K.Shimomura1,
Y. Sue4, K. Sumi4, K. Suzuki4, T. Takayanagi3, Y. Takeuchi7,J. Tojo7, E. Won2, T. Yamazaki4, H. Yasuda8**, M. Yotsuzuka4*present affiliation is QST **present affiliation is Toshiba Energy Systems & Solutions Co.

2021年11月9日 京都大学高エネルギー研究室 セミナー

自己紹介
2009/3

京大高エネ修士「T2K長基線ニュートリノ振動実験
ニュートリノビームモニター
INGRIDの製作と性能評価 」

2012/3

京大高エネ博士「Measurement of Neutrino
Oscillation in the T2K
Experiment 」

2012/4-

東北大ニュートリノ科学センター
教育研究支援者

2013/11-

KEK素核研博士研究員
J-PARC g-2/EDM実験

2017/4-

KEK加速器助教

2021/10AAPPS-APCTP C.N. Yang Award「For his development of themuon linac in realizing the muon
acceleration for the first time inthe world」

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内容
1. 世界初のミューオン加速の実現• ミューオンの生成・冷却・加速

2. ミューオン線型加速器の開発• J-PARCミューオンg-2/EDM実験

3. まとめ3/38

ミューオン

wikipediaより

H.
Anderson, C. D. Neddermeyer,4S./38

ミューオンの生成• μ± is generated through the π±-decayμπ• π is generated by proton-nucleon
reactions in the target.

spintarget

μ± decay muon

protonπ±ν• Wide momentum
distribution up to ~Pp• polarization < 100%(sub-)surface muon• semi-monochromatic• T~4MeV, P~30MeV/c• muon range~0.1g/cm2• polarization ~ 100%
• only μ+

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世界のミューオン施設

RAON

Nucl. Eng.
Technol. 53(2021) 2909
to be launched?

Quantum Beam Sci. 2 (2018) 23
to be launched?

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LINAC 400 MeV

RCS 3 GeV

ニュートリノ実験施設

MR 30 GeV

MLF

ハドロン実験施設

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ミューオンの利用
基礎物理物質科学(μ→eγ探索@MEG,PSI)μSR (ミュオンスピン回転法)

非破壊元素分析ICEPP HP, Eur. Phys. J. C (2016) 76:434

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ミューオンビームの品質• エミッタンス~位相空間を占める面積が非常に大きい

ミューオン: ~1,000 π mm mrad (cf. J-PARC linac >1 π mmmrad)
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ミューオンの冷却 1/3• 2マイクロ秒で崩壊するため、確率冷却や電子ビーム冷却が使えない
Pt② scattering③ acceleration① dE/dx140-240 MeV/c μPIDIonization cooling~3-4 T inmax.

＠RAL~0.04 X0dE/dxemittancePz• low 𝛽∟ →strong B field• high acceleration gradient• low Z material (large X0)• 近年、イオン化冷却 (減速のみ)を実証[Nature 578, 53–59 (2020)]• ~1 km並べて εt~1/100, εl ~1/10
Phys. Rev. AB 18, 031003 (2015)10/38

ミューオンの冷却 2/3
Moderator@PSI LEM

van der Waals solids, no interaction less than ~10 eVMuCool• 密度勾配を付けたガス中でのE×Bドリフトで~eV まで減速、出射/入射μ+ ~10 -3 (未実測)• 希ガスレイヤー (~10eV以下の相互作用が制限)で~10 eVまで減速、 • 原理を実証
出射/入射μ+ ~10-4(ビーム取り出し&実験利用は未だ)• 既に物性実験に利用

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ミューオンの冷却 3/3
Aerogel target
ionization laser
electric fieldsurface muons+ (3 MeV, εt~1000 π mm mrad) Mu (μ e )thermal muons(25 meV)~ keV,
εt< 1π mm mrad

• 標的から湧き出てきたミューオニウムをレーザーイオン化して、室温(30 meV)まで減速
出射/入射μ+ ~10 -2~4
• 実験利用が開始(標的は高温タングステン)

Introductory Muon Science, K. Nagamine, Fig. 3.112/38

負ミューオニウム生成• 様々なミューオン冷却手法が開発されてきた一方で、加速は未実証だった。
• タイムリーにミューオン加速を実証するには、もっとシンプルで(安い)手法が必須だった→負ミューオニウム生成 [PRA 35, 3172 (1987) ]μ+(few MeV)
target (thin Al etc.)☺ Simple and cost-effective☺ Low energy enough Not high efficiency
 Potential background formeasurement

secondary eμ+ andμ+→ e+ (+2ν)

Mu-ε(Mu-/ μ+) ~ 10-4~-(<1 keV) 5

need verification
by measurement

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History [参考文献: 高エネニュースVol.37 No.1]

負ミューオニウム観測

加速実証に十分な冷却性能を実証

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Radio-Frequency Quadrupole linac:RFQ

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加速試験セットアップ@J-PARC MLF テストエリア(D2)μ+(~3MeV)

Mu-生成(3 MeV→<keV)
静電加速 (5 keV)

4.3 m
2m

RFQ0号機による加速 (90 keV)

隙間
84mm

H-μ

Injection (keV)50

5.6Extraction

810

89

IntervaneV(kV)

81

9.1

Power (kW)

180

2.3

4極+偏向電磁石によるビーム輸送
MCP検出器

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18/38

19/38ミュオン加速の実証

UV
fiber

UV-generated H- ionμ+penetrating μ+measured profile

RFQ→M
H- B
Al

electric-lens

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結果

First muon acceleration in the world

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ミュオン加速の展開
透過型ミュオン顕微鏡

ミュオンイメージング

宇宙線/ビームミュオン

1 mm

https://slowmuon.kek.jp/MuonMicroscopy.html

宇宙線ビーム• ミューオン異常磁気能率(g-2)、ニュートリノファクトリー、コライダーetc.
M. Otani, T. Shiba, H. Miyadera, IPAC2021 THXC05

様々な応用展開が可能

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ミュオン異常磁気能率 (g-2)• 2021年4月にFNALがミュオンg-2測定結果を発表。
10年以上前のBNLの測定結果を再現→標準模型とのズレは4.2σ• FNALとBNLは同手法による測定→異なる手法での検証が必須

BNL [PRD 73 (2006) 072003]> 2,400 citations

FNAL [PRL 126 (2021) 141801]

FNAL
0.46 ppm

標準模型> 140 citations[Phys. Rep. 887 (2020) 1-166]

BNL + FNAL
4.2σ

g-2の独立な高精度測定が切望

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ミュオンg-2精密測定実験J-PARC E34
表面ミューオンビーム

冷却・加速によって得られる全く新しいミュオンビームミュオン冷却(3 MeV→25 meV)

加速(→212 MeV)

全く新しい手法による独立な高精度(0.45 → 0.1ppm)測定

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実験の現状• 実験の詳細設計が完了 [K. Abe et al., PTEP2019, 053C02]• J-PARC PACおよびKEK-IMSS PACで実験採択 (Stage-II)• KEK PIP2016において最優先の一つ、KEK SAC2019はPIP2019をサポート。
1. (既に予算化)J-PARC upgrade for Hyper-K
2. (既に予算化) HL-LHC
3. J-PARC E34
4. J-PARC HD拡張

• KEKから概算要求を開始 (KEK→文科省→財務省)• 科研費特別推進研究が採択 (2020~2025, 代表:三部)• 検出器や入射ラインを製作、ミュオン加速器上流部を製作

徐々に建設フェーズに移行。いよいよ予算化が期待。

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ミュオン線型加速器の概要
buncher exit
DLS

buncher 1st cell
KEK gunACS

DAW

SDTL
IH-DTLDTL

RFQ
J-PARC IS

thermal muons→Soa lens

RFQ

Energy [MeV]212

Intensity [/s]106

Repetition [Hz]25

Pulse length [nsec]

10

Normalized εt[π mm mrad]

1.5

Δp [%]0.1

RFQ

IH-DTLDAW-CCLDLS(Radio Frequency Quadrupole)(Interdigital H-mode drift tube linac)(Disk and Washer CCL)

(Disk Loaded TW structure)

324 MHz

1296 MHz…

5.6 keV
β=0.01

L= 3.2 m

0.3 MeV
0.08

1.4 m

4 MeV
0.316 m (14 modules)…

40 MeV
0.7

10 m (4 structure)

前例のないミュオン線型加速器。

212 MeV
0.9~40 m

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これまでの歩み27/38

基本設計 2015/16
thermal muons→Soa lens

RFQ

IH-DTLDAW-CCLDLS(Radio Frequency Quadrupole)(Interdigital H-mode drift tube linac)(Disk and Washer CCL)

(Disk Loaded TW structure)

324 MHz

1296 MHz

…

5.6 keV
β=0.01

L= 3.2 m

0.3 MeV
0.08

1.4 m

4 MeV
0.3

16 m (14 modules)…

40 MeV
0.710 m (4 structure)

212 MeV
0.9~40 mInit.

RFQIHDAWDLS

Decay survival[%]

8381989699Transmission[%]

8795 99.9 99.5

99.9

実験で要求されるエミッタンス・強度を達成

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バンチ幅測定 2019
高時間分解能ビームモニター
ミュオン用バンチャ空洞
NIMA946 (2019) 162693

加速ミュオンのバンチ幅測定に成功
Phys. Rev. AB 23 (2020) 022804

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試作機製作・試験 2020
• 2段目加速器IH-DTLの~1/3ハイパワーモデルを製作。
低電力試験で性能評価完了、今年度前半に大電力試験を実施予定。
• 3段目加速器DAW-CCLのコールドモデルを製作。
低電力試験で性能評価完了、ハイパワー実機設計に着手。
Sim.

Meas.

Frequency [GHz]

1.318

1.322

Q092548766

実機製作に向けた工程・要求性能を実証

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IH-DTL実機製作• 実機製作に必要な様々な検討が完了。

年度内に製作完了。次年度以降に低電力・大電力試験。

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DAW-CCL実機製作• 実機製作に必要な様々な検討が完了。

年度内に1st タンクの全セルを製作し、低電力試験実施

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DLS詳細設計• 電子(β=1)と異なる設計(β=0.7→0.94)が必要。
• 製作に向けた詳細設計を行っている。

ミュオン用(β≠1)設計手法を確立、来年度に実機スケール空洞を試作予定

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今後の予定
2021

2022

2023

2024

2025

2026

Bldg. andfacility
Muon
sourceLINAC
Injection andstorage★ Beam at H2 area

★ Beam at H1 area

★ Completion★ Engineering design★ Ionization test @S2★ Ionization test at H2★ 1 MeV acceleration@S2★ 210 MeV
★ 4.5 MeV@ H2★ 10 MeV★ Completion ofelectron injection testStorage
magnetDetector★ muon injection★ B-field probeready★ Mass production readyData taking

SurfacemuonCommissioning

KEKBudget★ Install★ Shimming done

★ Installation

DAQ andcomputing★ ReadyAnalysis★ Analysis software ready★ Analysis environment ready

Datataking

Firstresult

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まとめ• 負ミューオニウムイオンによる冷却とRFQによって世界初のミューオン加速を実証• 本技術に立脚して、静止したミューオンをほぼ光速度まで加速するミューオン線型加速器を設計、実現に着手。

• ついに予算化が期待。2025年にデータ収集開始を目指す。

本研究は日本学術振興会科学研究費JP25800164、JP15H03666、JP15H05742、JP16H03987、
JP16J07784、JP18H03707、JP18J22129、JP18H05226、JP19J21763、JP20J21440、JP20H05625、JP21K18630、JP21H05088、JP21H05084の助成を受けております。

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グループ体制
M. Yotsuzuka

Y. Nakazawa

Y. Kondo(JAEA)(Nagoya Univ. D1)

K. Sumi

G. Razuvaev(BINP)
T. Youssef(SOKENDAI)
C. K. Sung (IBAL/UNIST)

T. Morishita (JAEA)
Y. Nakazawa Y. Takeuchi(Ibaraki Univ. D2)(Kyusyu Univ. D3)

H. Ego (KEK)K. Sumi(Nagoya Univ. M2)

T. Takayanagi(JAEA)

E. Cicek

K. Futatsukawa

(KEK)

(KEK)

PM: M. Otani & Y. Kondo

加速器エキスパートによる強力なサポート体制

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若手が大活躍論文須江 祐貴、
四塚 麻衣

名大D1、M1[当時]

Phys. Rev. AB 23 (2020) 022804

中沢 雄河

茨城大M2

J. Phys. Conf. Ser. 1350 (2019) 012054

中沢 雄河

茨城大M2

NIM A937 (2019) 164-167

中沢 雄河

茨城大D2

JPS Conf. Proc. , 33 (2021) 011128

竹内 佑甫

九大D3

JPS Conf. Proc. , 33 (2021) 011129

四塚 麻衣

名大D1

JPS Conf. Proc. , 33 (2021) 011140

・・・

受賞
四塚 麻衣

名大D1

日本物理学会2021年秋季大会学生優秀発表賞 (素粒子実験)

竹内 佑甫

九大D3

日本加速器学会第18回年会賞 (ポスター)

中沢 雄河

茨城大D2

flavor physics workshop 2021 Best Talk賞

四塚 麻衣

名大M2 [当時]

日本物理学会第76回年会 学生優秀発表賞 (ビーム物理)

四塚 麻衣

名大M2

日本物理学会2020年秋季大会学生優秀発表賞 (素粒子実験)

安田 浩昌

東大D3

日本加速器学会第17回年会賞 (ポスター)

中沢 雄河

茨城大M2

4th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki
University, poster award

中沢 雄河

茨城大M2

2019年度ビーム物理研究会 若手発表賞

安田 浩昌

東大D2

第6回KEKスチューデント・デイ機構長賞

北村 遼

東大D3

国際線形加速器学会LINAC2018 Student poster award (1st prize)

須江 祐貴

名大M2

日本加速器学会第15回年会賞 (ポスター)

安田 浩昌

東大D2

第6回KEKスチューデント・デイ機構長賞

東大D1

日本物理学会第74回年会 学生優秀発表賞 (ビーム物理)名大M2

日本物理学会第74回年会 学生優秀発表賞 (ビーム物理)

安田 浩昌

須江 祐貴・・・

若手大学院生が大活躍

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