Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

NEW INTENSE DC MUON BEAM CHANNEL AT RCNP: MuSICAkira Sato ∗ A) , Toru OgitsuB) , Yoshitaka KunoA) , Hideyuki SakamotoA) , Yoshiharu HatanakaC) ,Mitsuhiro FukudaC) , Akira YamamotoB) , Makoto YoshidaB) ,A)
Department of Physics, Osaka University, 1-1 Machikaneyama, Toyonaka, Osaka, 560-0043
B)High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
C)
RCNP 10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047

Abstract
A new muon beam channel which provides a high intense muon beam with a continues time structure, MuSIC, is underconstruction in RCNP, Osaka University. The MuSIC is the first muon beam facility which adopts a pion capture systemusing a superconducting solenoid magnet. The system can achieve the most effective pion capture efficiency in the world.
The muon yield is expected to be 108 /s for positive muons. The construction of the MuSIC apparatus has been started in2009 JPY and will be finished in five years. A pion capture system and the first 36 degrees of the muon transport solenoid
have been already constructed and successfully commissioned. The first beam test was performed at 29-30 July, 2010.
This paper overviews the MuSIC project, then reports status and the construction schedule.

核物理研究センターにおける大強度 DC ミューオン源 MUSIC の建設状況
1.

はじめに

現在、世界では 4 つのミューオン施設が稼働中である。スイスの PSI 研究所、カナダの TRIUMF 研究所、英国の RAL、そして、日本の J-PARC ミューオン施設
MUSE である。そして、2009 年より、新たにもう一つのミューオン源の建設が大阪大学核物理研究センターで進められている。この大強度 DC ミューオン源を MuSICと呼ぶ。ミューオンビーム施設は、利用できるミューオ
ンビームの時間構造がパルスビームであるか連続ビームであるかにより 2 つに大別でき、どのような研究が展開できるかは、この時間構造に大きく依存する。サイクロトロンを使用する TRIUMF と PSI は連続 (DC) ビームであり、シンクロトロン加速器を使用する J-PARCMUSE と RAL は連続ビームである。MuSIC は、核物理研究センターのサイクロトロン加速器を使用するので、ミューオンの時間構造は連続となる。J-PARC-MUSE に加えて、MuSIC が稼働することにより、日本はパルスミューオン源と DC ミューオン源を同時に有する唯一の国となる。
表 1 に J-PARC-MUSE と MuSIC の特徴を比較してまとめた。MuSIC の最大の特徴はパイオンとミューオンの生成・収集効率が高いことである。パイオンの生成標
的を 3.5 テスラのソレノイド磁場中に設置することにより、高効率でパイオン・ミューオンを捕獲する。将来の加速器計画であるニュートリノ・ファクトリーや J-PARC
ハドロン実験施設で計画されているミューオン・電子転換過程探索実験 COMET(J-PARC P21) でも、MuSIC と同様の手法によりパイオンを高効率で生成・収集し、大強度ミューオンビームを生成することが検討されている。MuSIC は、このパイオン捕獲システムを世界で初めて実現した。このパイオン捕獲システムにより、従来のミューオン施設と比べて 1000 倍以上の効率でミューオンを生成・捕獲することが可能となり、陽子ビームパワー小さな RCNP の加速器でも、世界のミューオン施設と同等かそれ以上のミューオンビーム強度が達成される。目標のミューオンビーム強度は 108 /秒である。
この手法では、同時に使用できるミューオンビーム ラインは 1 つのみである。また、ビームサイズが大きく、ミューオンビームの偏極度を稼ぐための措置が必要など、従来のミューオン施設と異なる面もある。
図 1 は MuSIC 全体配置の概念図である。装置全体は、大阪大学核物理研究センターの西実験室内に設置される。図には大強度ミューオンビーム発生装置とそれを使った実験・研究装置の概念図を示してある。ミ ュー
オンビーム発生装置部は、「パイオン捕獲部」と 「パイオン・ミューオン輸送部」から構成される。 ここまでの部分は全て超伝導ソレノイド電磁石で形成される。二次粒子生成標的から後方へ放出されるパイオンとミューオンを最大 3.5 テスラのソレノイド磁場で捕獲し、 湾曲した輸送ソレノイドにより粒子の電荷と運動量を選択しつつ、実験エリアへと輸送する。MuSIC で 供給されるミューオンビームを使って、荷電レプトン混合現象の探索 (µ → eee) などの素粒子物理学実験、 また、原子核、物性、化学の研究、さらにミューオンを使った加速器開発などを実施することを検討している。以下、MuISCの各構成要素の概要と、建設状況、スケジュールについて述べてゆく。

∗ sato@phys.sci.osaka-u.ac.jp-197-

表 1: J-PARC-MUSE と MuSIC の特徴比較
MUSE

MuSIC

場所J-PARC

RCNP

陽子ビームパワー

1000kW

0.4kW

ミューオンビーム強度∼108 /s107 ∼108 /s

時間構造パルス (25Hz)

連続偏極度

高工夫が必要ビームライン数

複数本

1本

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図 1: MuSIC 全体野配置概念図

2.

MUSIC 概要

MuSIC は、大阪大学核物理研究センターのリングサ
イクロトロンから供給される 400MeV の陽子ビームを利用して、大強度 DC ミューオンビームを生成する。計画の第一段階では、陽子ビームの電流値を 1µA で運転する。最終的には 5µA 程度まで陽子ビームを増強したい計画である。
リングサイクロトロンから取り出された DC 陽子ビームは、新しく改造された陽子ビームライン（WSS コース）により MuSIC のパイオン捕獲部へと導かれる。パイオン捕獲部は、二次粒子生成標的、それを取り巻くSUS 製放射線シールド、大口径超伝導ソレノイドにより構成される。この部分と次の輸送ソレノイドの一部（３６度まで）は 2009 年度中に完成している。その配置図面を図 2 に示した。また、パイオン捕獲部と輸送部の設計磁場分布を図 3 に示す。
生成標的は直径 4cm、長さ 20cm のグラファイトである。これを捕獲ソレノイド電磁石の中心、3.5 テスラのソレノイド磁場中に設置する。ソレノイドはウォームボアであり、生成標的は陽子ビームパイプとつながる真空中に置かれる。陽子ビーム 1µA 時の生成標的への入熱は 100W であるので、輻射による熱の放出で充分に冷却可能である。陽子ビームは、捕獲ソレノイド電磁石の中心軸に対し、水平方向に 22 度の角度をなして、捕獲ソレノイドと輸送ソレノイドの隙間から入射される。MuSIC は、低エネルギーミューオンを用いる実験に最適化されているため、後方に放出されるパイオン・ミューオンを捕獲する。前方に放出される大量の高エネルギー粒子や標的を通過した陽子ビームはソレノイドへの入熱を避けて、前方下流に設置されてグラファイト製のビームダンプで停止される。生成標的からの放射線による超伝導コイルへの入熱を抑えるために、超伝導コイ
ルの内側に SUS 製の放射線シールドを設置する必要がある。このため捕獲ソレノイドコイルの内直径 900mmとなり、大口径の超伝導ソレノイドとなっている。コイルサポートも含めた捕獲ソレノイド超伝導コイルへの平均的な入熱は、陽子ビーム 1µA 時で約 0.6W である。
超伝導コイルは、液体ヘリウムを使わず、GM 冷凍機により運転温度 4-6K まで冷却される。
捕獲されたパイオンとミューオンは、約 10 ｍの長さの輸送ソレノイドにより実験装置へと輸送される。高い輸送効率を実現するために、超伝導コイルの内直径は 480mm、ビームパイプの内直径で 360mm の湾曲型超伝導ソレノイド輸送ラインとなっている。この部分の重要な役割は、粒子の電荷と運動量を選択し、高純度のミューオンビームに加工することである。湾曲したソレ
ノイドビームチャンネル中を粒子が進むと、湾曲面の法線方向に粒子がドリフトすることが知られている。このドリフトの向きと大きさは、粒子の電荷と運動量の大きさなどによる。さらに、ドリフト方向を平行成分の補正磁場を加え、その向きと大きさを調節することにより、輸送する粒子の電荷と運動量を選択することが可能である。輸送ソレノイド部の 2 テスラのソレノイド磁場、補正磁場強度は最大で 0.04 テスラである。補正磁場と運動量選択の関係は、後述する。
MuSIC の輸送ソレノイド最終でデザインでは、回転半径 3 ｍで 180 度の湾曲ソレノイドを建設する計画である。2009 年度には、図 6 に示したように、試作機的な意味合いも含めて、36 度分の輸送ソレノイドを 2台のソレノイド電磁石で実現している。
シミュレーション計算から予想される MuSIC ミューオンビームの性質について説明する。陽子ビームのエネルギーは 400MeV とし、グラファイト標的と陽子ビームの相互作用に MARS[3] を、その後の粒子トラッキングには G4Beamline[4] を用いて計算を行った結果である。
図 2 に示すように MuSIC の輸送ソレノイド 180 度分の出口まで計算に組み込んでおり、輸送ソレノイド終端で-198-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)のミューオン性質について、見てゆくことにする。ここで紹介する結果は、MuSIC で実現可能なビームの一例に過ぎない。実際には、実験の内容によってビームへの要求が異なるので、DC セパレーターやコリメーターなどを駆使して、ビーム性質を各実験に最適化する必要がある。ここで示すシミュレーションでは、DC セパレー
ターとコリメーターを一切使っていない、ミューオンのビーム強度が重要である素粒子実験向けのビーム設定例である。
前述のように、ミューオンビームの性質は、補正磁場の設定に依存する。まず、図 4 は典型的な設定である補正磁場 0.04 テスラの場合のミューオンの運動量分布である。補正磁場の向きを反転させることにより、ミューオンの電荷を選択することができる。ミューオンの電荷に依らず、運動量の中心値は約 40MeV/c、運動量
広がりは± 15MeV/c 程度である。予想されるミューオン収量は、陽子ビーム 1µA の場合で、正電荷ミューオンの場合で 8×108 /秒、負電荷ミューオンの場合で 2×108 /秒。この計算を信じると、世界最高強度のミューオンビーム生成施設となる。陽子ビーム電流値を 5µA に増強すれば、正電荷ミューオンで 4×109 /秒の強度である。
次に、正電荷ミューオンについて、補正磁場を 0 テスラ、0.04 テスラ、0.08 テスラと変化させた場合の運動量分布の変化、運動量の中心値、ミューオン収量について、図 5 に示した。補正磁場を 0.07 テスラまで上げることによって、ミューオン蓄積リングの開発に適した運動量 70MeV/c のミューオンビームを供給することも可能である。

図 3: パイオン捕獲部とパイオン・ミューオン輸送部の磁場形状

図 4: 補正磁場 0.04 テスラの場合のミューオン運動量分布。
（左）正電荷ミューオン、(右) 負電荷ミューオン。正負で補正磁場の方向を逆転している。

図 2: シミュレーションのセットアップ

3.

現状とスケジュール

MuSIC 建設は 2009 年度からの 5 年間で行う計画である。2009 年度には、パイオン捕獲部とパイオン・ミューオン輸送部 36 度分を建設し、その後の 4ヶ月で、周辺機器の整備とシステムのコミッショニングを完了した。
そして、2010 年７月 29 日と 30 日の二日間、MuSIC 最初のビームタイムを頂き、MuSIC で生成される 2 次粒子をプラスチックシンチレーターや半導体検出器などで観測した。図 6 は 2009 年度中に建設したした部分の配置図、図 7 はビームタイム直後の MuSIC 現場の写真である。現段階では、輸送ソレノイド部が 36 度分しか建設されていないため、輸送ソレノイド端部における二次粒子の種類は、多岐に及ぶことが予想された。ビームサ
イズが大きく、ソレノイド磁場中で螺旋運動をしている粒子の種類を正しく識別し、ミューオン収量と運動量分布を決定することは、容易ではない。光検出器として、磁場中でも動作する MPPC を用いるなどして、二次粒子の空間分布と強度を測定した。現在、データの解析中である。第二回目のビーム試験を 2010 年度の冬に行う計画で、ミューオンの寿命やミューオン X 線などを測定することにより、ミューオン収量の絶対値を導き出す予定である。
また、MuSIC 全体の完成に向けた機器の建設も順次進めてゆく。建設スケジュールは、予算の状況に強く依存するが、順調に行けば、2012 年度に 180 度分の輸送ソレノイドを建設、2013 年度に蓄積リングへの入射部分、2014 年度にミューオン蓄積リングを完成させたい。各段階において、ミューオンビームを利用した科学実験を遂行することも可能である。

参考文献[1] H.Kobayashi, et al., リニアック技術研究会論文投稿要領 ,-199-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図 5: （左）補正磁場強度の違いによる正電荷ミューオンの運動量分布変化。（右）補正磁場強度と運動量中心及び収量の関係。

図 6: 2009 年度に建設されたパイオン捕獲部とパイオン・ミューオン輸送部 (36 度分)

Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meetingin Japan,Tsukuba, Aug. 1-3, 2001.
[2] R. Hajima,
EMITTANCE COMPENSATION IN
AN ERL MERGER , Proceedings of the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, Funabashi, 2004,
http://www.pasj.jp/web publish/pasj1 lam29/proceedings.
html.
[3] http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/JACoW/help/help.htm.

-200-

図 7: 2010 年 8 月現在の MuSIC 現場の写真