Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

PRESENT STATUS AND FUTURE PLANS OF THE KEKB B-FACTORY
H. Koiso∗ , T. Abe, K. Akai, M. Akemoto, K. Ebihara, K. Egawa, A. Enomoto, J. Flanagan, S. Fukuda,
H. Fukuma, Y. Funakoshi, K. Furukawa, T. Furuya, J. Haba, S. Hiramatsu, K. Hosoyama, T. Ieiri, N. Iida,
H. Ikeda, S. Inagaki, S. Isagawa, T. Kageyama, S. Kamada, T. Kamitani, K. Kanazawa, S. Kato, T. Katoh,M. Kikuchi, E. Kikutani, T. Kubo, M. Masuzawa, T. Matsumoto, S. Michizono, T. Mimashi, S. Mitsunobu,
A. Morita, Y. Morita, H. Nakai, T. T. Nakamura, H. Nakanishi, H. Nakayama, Y. Ogawa, K. Ohmi, Y. Ohnishi,
S. Ohsawa, N. Ohuchi, K. Oide, M. Ono, T. Ozaki, Y. Sakamoto, T. Shidara, M. Shimada, S. StanicB) ,M. Suetake, Y. Suetsugu, R. Sugahara, T. Sugimura, T. Suwada, Y. Takeuchi, Y. Takeuchi, M. Tawada,
M. Tejima, M. Tobiyama, S. Uehara, S. Uno, S. S. Win† , N. Yamamoto, Y. Yamamoto, Y. Yano,
K. Yokoyama, M. Yoshida, M. Yoshida, S. Yoshimoto, M. Yoshioka, F. ZimmermannC) ,High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, JapanB) University of Tsukuba, Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8573, JapanC) European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211, Geneve 23, Switzerland
Abstract
KEKB B-factory continues to improve the luminosity after having achieved the design value of 10/nb/s. Since Jan.
2004, KEKB is being operated in the Continuous Injection Mode (CIM) which significantly boosts the integrated
luminosity. This article presents recent progress of KEKB and future plans one of which is introduction of crab
crossing.

KEKB B-ファクトリーの現状と将来

図 1: KEKB 概念図

1.

OVERVIEW

間隔で横ならびに配置され、唯一の衝突点に Belle 測定器が設置されている（図１参照）。
1998 年 12 月からリングのコミッショニングを開始した KEKB は、2003 年 5 月に設計値 10/nb/s を実現し、その後も順調にルミノシティを伸ばしている[3]。特に 2004 年１月以降、連続入射モードの実用化に成功し、ピークルミノシティの上昇率を上回る積分値の増加が目覚ましい。現在総積分ルミノシティ
は 288/fb に上り、2003 年 7 月までの蓄積量の 1.8 倍になっている。
本格的な物理実験開始以降の KEKB の履歴（ピーク／１日積分ルミノシティ、蓄積電流、全積分ルミノシティ）は図２に表示されている。Belle 測定器ロールイン（1999 年 6 月）以後、4 年間で設計値達成に至ったことは非常に順調なペースと言える。2003 年
7 月以前の KEKB の性能については文献 3 に詳しい。
大電流運転に起因するビーム不安定性、ハードウェアコンポーネントの様々な問題点が論じられている。
ここでは、最近１年間の進展を中心に衝突パラメタ調整の観点から、KEKB の現状と今後のアップグレード計画を紹介する。

KEKB B-ファクトリー [1, 2] は、CP 対称性の破れを 2 . ビームパラメタ始めとする b-クオークに関する素粒子実験のため、ル∗ミノシティ10/nb/s を目標として設計・建設された電 2.1 電流、ビームビームパラメタ、βy子陽電子コライダーである。入射器である電子陽電子
ルミノシティは線形加速器 （J-Linac） と周長 3 km のエネルギー非対称な２つのリング 、3.5 GeV 陽電子リング（LER）
γ± I± ξy± RL
L≈と 8 GeV 電子リング（HER） から成り立っている。
2ere βy∗ Ry
両リングは既存の TRISTAN トンネル内に約 1.1 m の∗ E-mail: haruyo.koiso@kek.jp† visiting from NSRC, Thailand(1)と表され、この式に従って高ルミノシティ・コライ
ダーでは、出来る限り蓄積電流 I± を大きく、垂直142

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図 2: KEKB の歴史。最下段の矢印は電子雲抑制のために設置された永久磁石とソレノイドの全長。
方向ビームビームパラメタ ξy± を大きく、衝突点垂直ベータ関数 βy∗ 小さくする。RL 、Ry は hour-glass
効果と有限の交差角度（KEKB では 22 mrad）によるルミノシティとビームビームパラメタの補正係数であり、バンチ長 σz が βy∗ より充分小さければ、比RL /Ry は１に近い。
KEKB リングのビームパラメタは表１にまとめてある。KEKB で選択された設計パラメタと現実の値をHER 側でみて比較すると、I− 、ξy− は設計値よりや∗や大きく、βy−は小さい。設計では σz = 4mm としており σz /βy∗ = 0.4 であったが、現在のバンチ長は測定
値 ∼7 mm と βy∗ = 6.5 mm より大きいので、RL /Ryは 0.8 に減っている。これらを総合して、KEKB は現在設計値の 1.39 倍にあたるルミノシティを達成している。

2.2 バンチ間隔、バンチ数
LER の蓄積電流が設計値よりかなり少ないのは、1)
これ以上電流を増加させてもルミノシティが上がらないことと、2) セプタムチェンバーの発熱というハードウェアの制約、の両方によるもので、現在 ∼ 1.65A で制限されている。1) の観点からはバンチ電流を増やさず、バンチ数を増加させればよいことになるが、バンチ間隔を平均 3.77 バケットから 3.5 バケッ
トに狭めると、スペシフィック・ルミノシティが明らかに（∼ 10%）劣化する。
平均 3.5 バケット間隔のバンチフィルパターンを2/3/4 バケット間隔の混成で作った場合、2 バケット間隔のところで LER ビームサイズの増大が観測されており、電子雲の影響あるいは電子雲とビームビームの相乗効果によるものと推察されている。このような状況で式 (1) のパラメタを LER 側でみると、HER とは異なり、I− が設計値よりかなり小さく（0.61 倍）、
ξy− はかなり大きい（1.44 倍）値となっている。
バンチ間隔が大きいため、バンチ電流は設計値の2.4 倍 (LER)、4.2 倍 (HER) であり、σz が設計値より長いことを考慮しても HOM による発熱パワーは既に設計値の 1.4 倍 (LER)、2.4 倍 (HER) に達している。
ハードウェアの発熱・放電・破壊等の危険に充分注意と払った慎重な運転が必須である。

2.3 チューン
パラメタの選択でルミノシティに大きな影響をもたらしたものは、ベータトロンチューン、特に水平チューン νx である。設計時 νx の小数部は ∼ 0.52を想定していたが、ルミノシティ調整の過程で νx を半整数共鳴線に近づけるれば近づけるほどルミノシティが上がる、すなわち、ξy が上がることが明らかになった（現在の νx 端数部は HER で 0.511、LER で0.506）。これは、νx が半整数共鳴線に近づくとビームビーム効果により βx∗ は減少、εx は増加し、水平ビームサイズはほぼ一定に保たれるが、実質的な ξx が弱まり衝突が安定化するためと考えられる [4] 。この傾向は、最近のビームビームシミュレーションの予想とも一致している。図 4 に示すように LER νx の変更（0.511 から 0.506）によってルミノシティは 25%向上している。
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表 1: KEKB のビームパラメタ。右から、設計値、2003 年 7 月までのルミノシティ最高値、現在までのルミノシティ最高値、に対応するビームパラメタを示す。ここ１年間で、ピークルミノシティは 32%、各種積分
ルミノシティは 53-87%向上した。
2004 June
2003 MayDesignLER HER LER HER LER HEREnergy
3.58.0
GeV
Circumference3016m
Current
1.58 1.19 1.38 1.05
2.6
1.1
A
Bunches
1289
1256
5000
Curr./bunch
1.23 0.93 1.09 0.83 0.52 0.22mA
Spacing
1.8 or 2.4
1.8 or 2.4
0.6m
Emittance εx182418241818nm
βx∗
59
56
59
58
3333cmβy∗0.52 0.65 0.62
0.7
1.01.0cm
Hor. Size @IP 103
116103118
7777µmVer. Size @IP
2.1
2.1
2.2
2.2
1.9
1.9µm
ξx.107 .075 .093 .068
039.039
ξy.070 .057 .067 .053 .052 .052
Lifetime152178
133259min.
Luminosity
13.92
10.57
10/nb/s
R944597∼ 600/pb
R Lum/24 hrs
Lum/7days
6007
3876/pb
RLum/30 days
23998
12809/pb

図 3: HER シンクロベータトロン共鳴線の影響。シンクロベータトロン共鳴に対応する νx のところで寿命が急落している。

図 4: スペシフィック・ルミノシティ。(1)2002 年 10月、(2)2003 年 12 月、(3)2004 年 6 月、CIM 運転

シミュレーションによれば、HER の νx を LER 同様 0.506 まで下げることにより約 20%のルミノシティ向上が期待できる。しかし、HER ではシンクロベータトロン共鳴線 2νx + νs =integer の影響が強く、現状のままでは νx を下げるのが難しい（図３参照）。
１）6 極磁場の最適化をおこないクロマティシティ補正を改善して共鳴線の影響を弱める、２）運動量圧縮率 αp を調整し（次節参照）、νs を上げて共鳴線の位置をずらす、などの対策を検討している。

2.4βx∗ 、εx 、αp式 (1) にあらわに現れないが水平方向のパラメタ
βx∗ 、εx は ξy をとおしてルミノシティに影響を与えている。βx∗ を下げる、あるいは εx 下げることにより、ルミノシティが上がることがシミュレーションで予想されている。
2.5π セルを基本とする KEKB のラティスは εx 、αpを広範囲に独立に調整することができるという大きな利点がある。（10 ≤ εx ≤ 36 nm、 −4 × 10−4 ≤144

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常時維持できる（図 4(3) 参照）。
また、CIM はルミノシティ調整にも有利であり、一定電流での運転によりチェンバーの温度などハードウェアの環境が定常化され、安定したビーム条件のもとでルミノシティ調整ノブの最適化がおこなえる。

4.

クラブ空洞

KEKB は 22mrad の有限交差角度を採用し、 １）衝突点領域 (IR) の最終収束系の磁石配置が単純化・最適化され、２）Belle 測定器のバックグラウンドが軽減される、などの恩恵を享受している。有限交差角度に起因するルミノシティ劣化に備え、図 6 に示す
ように IR ラティスは現状のまま、正面衝突と同等の衝突状態を回復するクラブ交差方式 [5] を可能にする
ため、KEKB の当初からで超伝導クラブ空洞の開発が進められてきた。有限交差角度はこれまでのところ問題を引き起こしていないが、最近のビームビームシミュレーションで交差角ゼロの正面衝突の方が高いビームビームパラメタ（ξy ∼ 0.1）を得られる可能性が指摘されたため [6, 7] 、クラブ空洞の実用化が急務となってきた。ξy の期待値が実現すれば、ルミノシティは倍増に近くなる。2006 年初等のリング設置に向けて、クラブ空洞開発は、クライオスタット、入出力結合器、チューナーなどの設計が最終段階に入っている。
現在の計画は当初のものとは異なり、超伝導加速空洞が設置されている日光直線部に両リング１台ず
図 5: CIM の効果。それぞれ、上図は CIM 以前 つクラブ空洞を設置する。必要なキックを１台のク(656/pb/day)、下図が CIM 運転 (944/pb/day) で積分ル ラブ空洞で与えるために、HER ではクラブ空洞のところで βx ≥ 200 m としなければならず、4 極磁石のミノシティ最高の 1 日。
結線替えが必要となる。この方式では、クラブ空洞での横方向キックによるバンチの前後で異なる水平αp ≤ 4 × 10−4 ）今後さらに電流増加を目指す運転 軌道がリング全周に発生するが、これまでのところ状況の変化に応じて柔軟な対応が可能である。
ビーム力学上の問題点は指摘されていない。実際のビーム運転を想定した調整／フィードバック方法の確立、など詳細な検討が進められている。
3 . 連続入射モード
またクラブ空洞の他に、今後数年間の小規模アッ連続入射モード（Continuous Injection Mode、以下 プグレードとして、1) ソレノイド磁場強化あるいはCIM と略する）とは、入射器からリングにビームを 永久磁石増設など電子雲対策、2)LER 2.6 A、 HER 2
入射しながら同時に Belle 測定器のデータ収集を行 A までの電流増加、3) アボートキッカー高速化、なう運転モードである。2001 年秋から検討を開始し、 どが計画されている。
数回にわたるテスト的な CIM 運転をおこなった後、2003 年末に両リングとも CIM 実用化が可能になった。 5 . スーパー B −ファクトリー
PEP-II も CIM 運転を行っており、LER のみの CIM
さらに高いルミノシティ（∼250/nb/s、現在の約を 2003 年 12 月初めから、両リングの CIM は 2004
20 倍）を目指して、スーパー B-ファクトリー (Su年 2 月から開始している。
図５に示すように、CIM の効用は明らかで、従来 perKEKB) の検討が進み、これまでの成果が Letter[8]の運転モード（入射中はデータ収集を止める）と比 of Intent にまとめられている 。主なパラメタは∗
較して積分値が飛躍的に増加する。従来の運転モー βy = 3mm、ξy = 0.14、LER/HER 電流値 4.1 A /ドでは 1 日あたり 3 時間（9 分 ×20 回）の入射によ 9.4 A、などである（図７参照）。リングに関しては、るロスがあり、またビーム寿命にしたがった電流減少 トンネル、施設、電磁石、電源、などは出来る限り再によって物理データ収集時の平均ルミノシティは最 利用し、大電流蓄積に備えて必要な改造・増強を行高値の 82%にどまっていた。一方 CIM では、入射に う方針で広範な検討がなされ、（新型真空チェンバー
同期して 3.5 msec の veto をかけるが、通常の 10 Hz およびベローズ、冷却システム、常伝導 ARES 空洞、入射に対応するロスは 3%程度で、しかも約 10 分周 RF 源、超伝導空洞の HOM ダンパー、などの増強）期の電子／陽電子切り替えで両リングの電流をほぼ アンテチェンバー試作、ARES 空洞 RF カプラーの開一定に保つことにより最高値に近いルミノシティが 発などが実行に移されている。
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図 7: SuperKEKB 概念図。
[5] K. Oide and K. Yokoya, Phys. Rev. A40, 315(1989).
[6] K. Ohmi et. al., Phys. Rev. Lett. 92, 21401(2004).
[7] K. Ohmi et. al.,KEK-Preprint 2004-17, Submitted forpublication.
[8] Letter of Intent for KEK Super B Factory, KEK Report
2004-4.

図 6: クラブ交差方式の概念図。KEKB では当初、図のように 1 リング 2 ずつクラブ空洞を I 設置し、クラブ軌道を IR に局在させる方針だった。IR にクラブ空洞設置用のスペースが確保されている。

6.

謝辞

KEKB の設計・建設・運転をご支援いただいた方々に心より感謝いたします。

参考文献[1] KEKB B-Factory Design Report., KEK Report 95-7,1995
最新情報は URL: http://kekb.jp[2] Nucl, Instrum, Meth. A499, 2003.
[3] K. Oide, Proceedings of the 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, November, 2003,
URL: http://conference.kek.jp/sast03it/oral.html.
[4] K. Oide, Proceedings of EPAC2002, Paris, France, 2002,
pp.1-5.

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