ミュオンビームライン２― ＯＨＯ’２３―
高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）
大強度陽子加速器施設（Ｊ－ＰＡＲＣ）
河村 成肇

Muon Facility in MLF, MUSE
S-lineµ+Surface muon （4 MeV）
dedicated to bulk µSR
in 4 experimental areas
w/ various sample env:

4 areasSimultaneous use
ultra-low temperaturehigh magnetic field
pulsed excitations etc.

U-lineµ+/µ-High-intensity surface
and high-energy cloudmuon （<4 - 50 MeV）
for general purpose“fundamental physics”

High Intensity
General Use
requiring high precision,high sensitivityµ+

Ultra slow muon
UltraSlow Muon（0.1 - 30 keV）
surface/sub-surface
Surface/Interface/interface sciences (U1A)
Test-bench for TM(U1B)

H-lineD-lineµ+/µ-Decay and surface muon
（100 keV - 50 MeV）
to answer a variety ofusers’ demands withSR spectrometer (D1)
general purpose (D2)General Use新しいビームライン
より大強度にＭＵＳＥ ＵラインとＨライン

U-line: The highest intensity beamline
NC large aperture
capture solenoid
SC curved solenoid

SC focusing solenoid
w/ wien filters

 All beamline magnets are axial focusing The world strongest pulsed muon: 2108 +/s, 1107 -/s

UltraSlowMuon
beam
Ultra Slow Muon (USM) beam has a small emittance
Scheme of U-line
Laser

U1A area

Muon

Controllable low energy (50 eV ~ 30 keV) with a small energy spread (~50 eV)
Small beam size ~ 1 mm
Top view of USM
Pulse beam with a short time width of ~ 2 ns

U1B areaCOMET in J-PARC Hadron Facility
Phase-I
Muon Transport
Solenoid

Proton Beam

Pion Capture
Solenoid

μ-e conv.
Detector

Phase-II

Target Sensitivity <10-14 with 3.2kW beam

Muon Transport
Solenoid

Proton Beamμ-e conv.
Detector•

Proton beam line construction in progress to becompleted in FY2021•
Graphite as a pion production target•
Pion Capture Solenoid construction is in the 2nd yearof multi-year construction contract (FY2020-2022)•Physics Detector•
CDC and hodoscope in a solenoid•
Muon stopping target (Al) at the center of thesolenoid
Beam engineering run in FY2022 and physics in FY2023.

Target Sensitivity <10-16 with 56 kW beam•••
Pion CaptureSolenoid
Electron Spec.
Solenoid•

Extension of muon transport solenoid to cope withhigher proton beam power• More efficient beam background suppression• Pions decay to muons in longer transport
Tungsten alloy as a pion production target
Electron spectrometer solenoid to suppress thedetector counting rate
Physics detector• Straw-tube tracker and LYSO calorimeter• Muon stopping target (Al + others) in a
gradient magnetic field for the purpose of
signal electron collection with a magnetic lens

軸収束型ビームラインの問題点• 確かにビーム強度（ミュオン数）の観点では良い
COMETのようにインライン標的を用いると理想的• ただし、軸収束磁場から出た瞬間にビームが発散してしまうので、磁場内（COMET）か磁場から出てすぐ（Ｕライン）にビームを停止させる試料を配置• それに特化した実験なら問題ないが、様々な実験装置を駆使する汎用的な使い方には向かない
ミュオン科学では汎用性が大事• 強度を落とさず、汎用性のあるビームラインを！

Design concept of H line
• High muon intensity ⇒ capture solenoid
and axial focusing elements• Momentum tunability, install-ability of kicker andwien filter ⇒ long focus
×high field axial focusing elements• Fusion of these two conflict(?) concept:
high field capture solenoid → bend → pair ofopposite field solenoids• High intensity, good characteristic beam

3GeV proton

Capture solenoid (HS1)

Optics design for H line
30 MeV/c monochromatic beam calc.
performed by a MC-code(G4beamline)

Bending magnet (HB1)
Gate valve (HGV1)

Large aperture shortsolenoids do not allow us
to use transfer matrix
calculation which use
near axis assumption.
Transport solenoid(HS2 and HS3)

Septum or bending magnet (HB2)

Exp. area #1
Exp. area #2 and #3

Merit of opposite field solenoid
HS1yPx

P

HB1z
HS2x
Py
P

HS3
HB2xy

Merit of opposite field solenoidD

Epsx=37.5 cm mrad
Epsy=75.0 cm mrad

Epsx~680 cm mrad(RMS)
Epsy~340 cm mrad(RMS)
Final FocusingのQによる増加Epsx=235.2 cm mrad
Epsy=368.9 cm mrad
Epsx=554.0 cm mrad
Epsy=561.6 cm mrad

Q電磁石のフリンジの効果でエミッタンスが増加=>電磁石の数が多い：×

Epsx~350 cm mrad(RMS)
Epsy~350 cm mrad(RMS)

H

少ないQ電磁石でエミッタンスの増加：小Optics design for H line

Experimental area #1

The H line can be extended anddeliver the beam to another areawith low beam loss by adopting
another pair of solenoid magnets,
in principle.

Experimental area #2
Experimental area #3

Yield evaluation - Pion production~20142014~

muon production target: t2cm graphite (~2014: fixed, 2014~: rotating)Empirical formula of pion production by 3GeV proton𝑑𝜎 ⁄𝑑𝐸 𝑑Ω
⁄
𝑎 0.001 0.02 tan 𝜃𝜃⁄1.5 𝜃 90° , 0.32 𝜃 9060 𝜃𝜃Consistent with Geant/GHEISHA, Geant/FLUKA⁄90°

Yield evaluation - Beam transmission
H2 area(straight leg)

Mu target

Final focusing

H1 area(dogleg)
exp. Hall
under const.

Typical Transmission efficiency in Finalfocusing part: > 80%

HB2Transmission efficiency from the entranceof HS1 to the exit of HB2
 81% (geom. acceptance: 109 mstr)

HS3HS2
momentum acceptance: ±5%
HB1
M2 tunnel
completed

HS1

Aperture of the entrance of H line
250 mm @ 60 cm apart from the target 136 mstr

Beam intensity evaluation
-+Pion stopping distribution

momentum acceptance: ±5%
HARP Eur. Phys. J. C 53 177 (2008)27~30MeV/c
0.2mm
To be transported

p2.6
Momentum vs. muon-generation depth(pion stopping depth)

15,000M×0.109/4×0.8= 100M/s surface muon
@ exp. area

Ｈラインの延長計画
Ｈライン実験棟

ＭＬＦ建屋
Hライン
H1（既設部）
H2

Ｈライン実験棟（建設予定）

蓄積
透過型ミュオン顕微鏡
ミュオンの高い透過能力により電子顕微鏡では不可能だった
生きた細胞の丸ごと顕微観察

g-2/EDM実験
素粒子標準模型を超える新物理探索

J-PARC E34(g-2/EDM)実験• 収束電場を使わない• 低エミッタンスのミュオンビーム（超低速ミュオン）を再加速
超伝導ミュオン蓄積リング

Surface muon

Ultra Cold + source
超低速ミュオン

Muon LINAC (300 MeV/c)
Muon
storageMuon g-2 experiment at BNL

Fermi lab E989実験• BNLからミュオン蓄積リングを移築• より高統計（より多くの崩壊電子を検出すること）でを目指す

2013年に直径15mのリングをNYからイリノイ州に輸送

大強度ビームの問題点
高放射線環境下で安定して動くビームライン放射線対策• 陽子と標的（炭素原子核）との反応は中間子の生成だけではない• ミュオン標的では約5%（50kW）の陽子を消費• +生成断面積（50mb）≪中性子生成断面積（1000mb）
毎秒1014個の中性子が生成（周囲の放射化等、様々な反応）• ２次粒子生成に使われるのは高々数100W• 中間子生成： 300100 MeV• 放射線対策が必須• （吸収）線量率評価• 放射線遮蔽• 耐放性材料選定• 放射能生成量評価（機器、空気、冷却水）• 運転・保守シナリオ

5 · 10s~300 W

中性子の全生成断面積（核破砕）Beam loss
• The 2-cm graphite target causes
a 5% (50 kW of 1MW) beam loss
mainly at target and scrapers.
• The effect of the scattered particles
and secondary particles reaches
whole M2 tunnel and its
surroundings.

M
2TE
M
2TQ
N
11Q
N
1210.
30810.
308D
N
1Q
N
21Q
N
229.
3899.
389DN
2Q
N
31Q
N
324.
8684.
868QN2QN3DN
3QN
41QN
422.
0562.
056Beam envelopeSLD

Beam loss
QN4>150W

QN1• The effect of radiation and therelated things are serious
problem for MLF, J-PARC.

Target &Scrapers
Neutron target

5% loss
Transport efficiency

Evaluation of radiation dose
• Several MC (MCNPX,NMTC/JAM, PHITS) were used.
• Beam loss around the muontarget:3-GeV proton beam with anemittance of 81 mm・mrad is
injected into the muon target.
• Beam loss at downstream:
Evaluation is performed withsome margin due to missalignment and so on.

Simulation result
East side exp. hall

Dose from M-target

West side exp. hall+

Dose from BT line

=totalEvaluation model
Evaluation of:
1. Beam profile (providedby water
3NBT)
Coolant
2. Heat generation, DPA value, radio activity production
3. Radio activity and radiation from its
Copper frame

Decay-TURTLEPHITS and/or MCNPDCHAIN-SP and MCNP

Graphite target
scrapers
Target systemBT line

BT lineInflatable seal

26 / 21

Evaluated results
Heat Generation Map

Heat generation ⇒ Temperature distribution(PHITS)(ANSYS)

Heat Generation [kW]Target3.3
Scraper #1
5.7
Scraper #2
5.0
Scraper #3
1.8
Dose [MGy/40y]
QM12.0
QM211.8
BT line
QN1905.0
QN23490.4
QN3805.4
QN4174.8
DQ14270.0
M LineDB12.0
SQ1427.4
SB10.8

QM1, QM2, QN4, DB1, SB1: polyimide
QN1, QN2, QN3, DQ1, SQ1: MIC

Effect of residual activity
xCask

Dose on the cask surface
10-year irradiation and 1-day cooling

Target assembly

Reality of the maintenancescenario is examined.
Residual activity in the 1st segment of the target plug

29 / 21

Dose during target maintenancecask• In principle, target
maintenance can becontrolled remotely.
• Accumulated dose is negligible.

• In trouble, one can work
• for several hours at FL+6m• for a few minutes at FL+4m• A sheath device has to beprepared in several years.

xFL+6mservice arearing
10cm gap

FL+4m
sheath device

Basic design of M2-tunnel magnets
utilities at FL+4m level

phthalic paintor Ni-plate

halo monitors

plug radiation shield
seamless piping
at beam line level

radiation-hard coillevel adjust spacer

30 / 16

Material determination
DB1
DQ

QM1-2

QN3

SQ

QN1-2

QN4

XY22

XY23

MGy/40y

Yoke

Coil

Pole/Duct

Cable mat.

QM2

0.1

0.7

10.1

Polyimide

QN2

21.3

65.7

2574.9MIC

X22202.5

414.7

349.3

MIC

X23

4.4

15.1

19.5

Polyimide

SQ175.8

207.8

114.2

MIC

DQ1271.1

900.4

559.8

MIC

DB10.42.22.0Polyimide

32 / 16

Material determination
QM2

SQ1-3

polyimide
QN2

DQ1-3

MIC
SB1

MICMIC
DB1

polyimide

Detailed evaluation: polyimide (average) ⇒ MIC (hottest point)polyimideM2 tunnel construction status
4/Nov/04

11/May/06

28/Jun/06

29/May/07

13/Jul/07
cask

guide shields

BT-line magnets

Vacuum parts(duct, pillow seal, and so on)

buried iron blocks
roof-shield hatch

21/Oct/05
M-line magnets
target chamberbase plates
FY2004buried iron block

FY2005air circulator
FY2006

FY2007base plate
BT magnet M magnet
CW pipe, cablingalignment plate
air circulator
cask
BT shield
roof shield hatch
guide shieldvacuum parts system commissioning
target chamber

電磁石の製造
間接水冷MICコイル

SQ2コイルフタル酸系塗料

Niメッキ

SQ1

SQ3

SQ3
SQ2
SQ1ミュオン科学
少しだけ紹介SR（muon spin Rotation, Relaxation, Resonance）

a) Almost 100% spin-polarized muon beamis transported from the muon production
target to the sample through the beamline.

b) The muon is stopped in the sample
Observing the muon’s precession
frequency
and will precess
about the local
magnetic
filed (Larmor precession).
and changes in amplitude gives
informationon the internal magnetic field of the specimen.
This technique is mainly used for materialscience.
c) The muon decays to a positron. The positron isemitted to the muon’s spin direction at that moment.
→The time distribution of positron asymmetry(forward-backwards ratio) signal reflects the local
magetic Field.

SRによる磁性研究
磁気秩序がない状態

磁気秩序（強磁性）状態
最隣接の磁気モーメントからの双極子磁場にのみ敏感

内部磁場はサイトに依存、ミュオンの偏極率も時間とともに減少
核スピンしかない場合

内部磁場はサイト毎に一定、ミュオンスピンは同じ周期で回転緩和の速さから核磁気モーメントの⼤きさを推定可能

脈動する信号・周波数・緩和率・振幅

ミュオンの停止位置は空間的に分布があり、磁気構造の違いには必ずしも敏感でないSRで超伝導を見る
第⼆種超伝導体の磁束格⼦状態
超伝導体中では磁束が規則的に並んだ状態⇄磁場分布が空間的に不均⼀

Normal state
SC state

TTTcTc0外部磁場 H

超伝導電流

超伝導体
Muons

s

B r の分布幅は超伝導電流密度で決まる.

ns e 2s  2  * 2
 mc
1

磁束格子
磁場分布 B r
ミュオンはB r をランダムにサンプリング

Muonic X-ray measurements
A muon is 200 times heavier
than an electron↓
The orbital of a muonic atom
is 200 times smaller

Muonic atom

The chrematistic X-ray
energy is 200 time higher.

A negative muon captured by an atom
loses its energy down to the ground stateby emitting X-rays.

小惑星リュウグウの石を元素分析
中間⼦科学の地球惑星科学への展開
炭素が多いC型⼩惑星リュウグウの⽯の分析では炭素や窒素などの軽元素を含む元素⽐を定量する必要がある。大気暴露せずに分析する必要がある

1 mm

多くの分野の研究者が集結、議論しながら実験を実施
リュウグウの石は、太陽系の固体物質の化学組成の基準であるCIコンドライトという種類の隕石と似た組成だが、酸素含有量が少なく、リュウグウの石の方が代表物質に相応しい可能性が示唆された
T. Nakamura et al., Science, 10.1126/science.abn8671 (2022).

あなたはミュオンを知っている？
YES

NO→ 研究対象を探るツール（プローブ）
ミュオンの分かっている性質を応用して物質・生命の未知の部分を探る
SR：
非破壊元素分析：→ ミュオン自体が研究対象知っている事実（素粒子標準理論）で説明できない部分がミュオンにはあるはず
それを暴き、素粒子標準理論を超える
Particle Boys
ILC学園3年生
好奇心旺盛で、遺跡や古代ロマンが好き。
ミューオンニュートリノと仲良しで、だいたい一緒にいる。
いつもニコニコしていていまいち掴みどころがない。

なぜミュオン？
素粒子標準理論を超える新物理はミュオンだけに働くわけではない。では、なぜミュオン？
【技術的な理由】• 作りやすい• 重心系で140MeV（Lab系で290MeV）が生成閾値
中程度のエネルギーの大強度マシンで大量生産• 見やすい• ほどほどの測りやすい寿命（2.2s）で、検出しやすい（陽）電子を出して崩壊スピン偏極したビームが得られ、崩壊で出る（陽）電子はその向きを反映→ミクロな状態を知りやすいなぜミュオン？
【学術的な理由】• 内部構造を持たない点状粒子（と考えられている）• 理論計算の精度を上げやすい• 電弱相互作用のみ（強い相互作用が働かない）• 強い相互作用の効果を直接的には受けない（高次の補正でしか効かない）• ミュオニウム（+e-）は理想的な“水素”• 新物理の質量スケール• 標準理論を超えた物理の感度（現れやすさ）は質量の２乗に比例する。はず電子は作りやすさではミュオンを圧倒するが、感度は1/42,000（=1/205.62）

だからミュオン！
• Higgs粒子の発見により、素粒子標準理論は完成、
でも…
• 標準理論が不十分なのは明白• 大量のミュオンの中に「標準理論から外れるもの」、「説明できない性質」を探し出す• ミュオンを用いた新物理探索では観測精度が大事• 系統誤差：技術開発で小さくできる• 統計誤差：観測するミュオンの数を増やすしかないだから、大強度フロンティアのミュオン施設！

Fundamental Physics using muon
TRIUMF: PiENu
J-PARC: μ g-2 < 0.1 ppm

PSI/MEG: BR(μ → e γ) < 10-13

J-PARC: BR(μ- N → e- N) < 10-14 , 10-16

FNAL: μ g-2 < 0.1 ppm
BNL: μ g-2 < 0.5 ppm>3-σ off from SM

FNAL: BR(μ- N → e- N) < 10-16

ミュオン電子転換過程
ミュオン捕獲（MC）
𝐴, 𝑍 → 𝜈𝜇ミュオン原子𝐴, 𝑍

1𝜇原子核(A, Z)

ミュオン崩壊（MDO）
𝜈𝜈𝜇 →𝑒
MC:MDO=1:1000(H), 2:1(Si), 13:1(Cu)Free decay: 𝜏
2.2 𝜇s
0.76 𝜇s
- in Si: 𝜏

滅多に（殆ど）起こらないので稀崩壊事象（rare decay event）

ミュオン電子転換過程（-e Conversion）
荷電レプトン混合によるプロセス

どの程度起こらない？

g

実際には
• 必要なイベント数は1012～1014• A4に25nm角の大きさで「知」を書くと1014個になる• 1014個のミュオンを作るのも大変（J-PARCで最強のビームラインでも100日以上）
その中の1個を探すのも大変（何か工夫）日本中間子科学会が「学術の中長期研究戦略」
において提案したビジョン

ちょっと宣伝• 大強度施設の標的などに関する国際ワークショップ開催
理研和光キャンパス
11/6 - 11/10• Registration
9/10 - 10/15• https://indico2.riken.jp/event/3102/