| Project/Area Number |
21H04971
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
青木 正治 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (80290849)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 一樹 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (20587464)
東城 順治 九州大学, 理学研究院, 教授 (70360592)
三原 智 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (80292837)
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| Project Period (FY) |
2021-05-18 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥634,790,000 (Direct Cost: ¥488,300,000、Indirect Cost: ¥146,490,000)
Fiscal Year 2025: ¥112,970,000 (Direct Cost: ¥86,900,000、Indirect Cost: ¥26,070,000)
Fiscal Year 2024: ¥125,710,000 (Direct Cost: ¥96,700,000、Indirect Cost: ¥29,010,000)
Fiscal Year 2023: ¥148,460,000 (Direct Cost: ¥114,200,000、Indirect Cost: ¥34,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥133,510,000 (Direct Cost: ¥102,700,000、Indirect Cost: ¥30,810,000)
Fiscal Year 2021: ¥114,140,000 (Direct Cost: ¥87,800,000、Indirect Cost: ¥26,340,000)
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| Keywords | 荷電レプトンフレーバ非保存過程 / ミュー粒子 / 荷電レプトン非保存過程 / 荷電レプトン・フレーバ非保存 / 稀反応 / 素粒子実験 / 大強度ミュー粒子源 / 稀崩壊 |
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| Outline of Research at the Start |
素粒子の標準理論を超えた新物理は必ず存在すると誰もが信じているが、どのようにしてそこに至るのか手探りの状態にある。本研究では、新物理においてはその存在が自然であると考えられている「ミュー粒子・電子転換過程」を、100兆分の1よりも良い感度で探索する。そのために、世界第一級の大強度陽子加速器J-PARCの特長を活かして、革新的なミュー粒子ビームラインとそれに最適化したミュー粒子実験装置を活用した物理測定を遂行する。本研究は世界で最初に事象を発見できるポテンシャルを持つ。この過程が発見されれば宇宙・素粒子研究に大きなインパクトを与えることは必須である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画では、ミュー粒子・電子転換過程を従来よりもはるかに高い感度で探索することを目指している。そのために、先進ミュー粒子ビームラインから飛来する大強度負電荷ミュー粒子を超伝導検出器ソレノイド(DS)の中央に設置したミュー粒子標的に静止させ、ミュー粒子の反応によって発生する電子の運動量を正確に測定する。実験に使用する超伝導電磁石などは大型でありその製造には時間がかかる。最初の3年間(2021-2023年度)は、超伝導ブリッジソレノイド(BS)や超伝導検出器ソレノイド(DS)、ならびに超伝導検出器ソレノイド用鉄ヨークの製造や電子検出器の開発に集中する計画である。2022年度には、電磁石用鉄ヨーク材料の調達ならびに鉄ヨークを設置するための架台の製造を行った。
電子検出器をDS内部に設置するために必要な電子検出器用フレームの設計と製造を行った。
2022年5-6月には、J-PARC MLF MUSEのD2において、2021年度に開発したレンジカウンターシステムのビーム試験を実施して良好な結果を得た。当該レンジカウンターシステムを主測定装置として、2023年2-3月に先進ミュー粒子ビームラインのビーム試験（Phase-α）を実施した。本ビーム試験は、補正用縦磁場付き湾曲ソレノイド（曲げ角90度）を使用した大強度ミュー粒子ビームラインとしては世界最初の本格的な試験である。現在詳細な解析の最終段階であるが、これまでのところレンジカウンターで測定された負電荷ミュー粒子の運動量スペクトルはモンテカルロ計算による予想と無矛盾であり、当該ビームラインの特性を正しく理解していると考える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究計画で使用する超伝導電磁石などの装置は大型であり、製造を単年度で完了することは不可能である。そのため研究計画立案当初から、最初の3年間(2021-2023年度)は超伝導ブリッジソレノイド(BS)や超伝導検出器ソレノイド(DS)、電磁石用鉄ヨークなどの製造に集中する研究計画であった。2022年度中に、電磁石用鉄ヨークの設計を完了して、価格が高騰し切る前に必要な鉄材料を調達できたことは大きな安心材料である。また、鉄ヨーク架台の製造を完了することができたことも大きな前進である。
先進ミュー粒子ビームラインの基本性能試験に成功したことも大変意義深い。これによって、縦磁場付き湾曲ソレノイドによる負電荷ミュー粒子の輸送特性など本実験開始に向けた重要な課題に関して理解を深めることができたことは大きな成果である。
なお、当該輸送ソレノイド電磁石励磁試験で発見された不具合によってBS/DS電磁石電源の製造が遅れたが、これに関しては繰越事業としてフォローアップできている。
DS内部に設置して物理測定を行うための電子検出器は円筒形状をしたドリフトチェンバー(CDC)とトリガーカウンター(CTH)から構成される。機械学習の技術を用いて高いバックグランドヒットの中から目的とする信号を抽出するCDCトリガー回路の開発を行った。また、高い放射線環境下においてもノイズを抑えて半導体光検出器(SiPM)を動作させることができるCTH-SiPM冷却読み出し装置を開発し、中性子照射試験などを通して基本設計を完了させた。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通り、2023年度中の完成を目指して超伝導電磁石システム(DS、BSおよび鉄ヨーク)の製造を推し進める。さらに、当該超伝導電磁石システムを実験場所へ設置するための手順やそれに必要な各種治具などの開発を進めて、2024年度中に設置する。
CTH-SiPM冷却読み出し装置は、複数台のSiPMを同時冷却できる第2世代プロトタイプの製作と性能試験を推し進め、256台のSiPMを冷却する本実験用装置の製造を急ぐ。オーストラリア・モナシュ大学が開発・製造を担当している 光ファイバー読み出しシンチレーションカウンターに当該SiPM冷却読み出し装置を組み合わせることによって、CTHが完成する。 CDCとCTHをDS内部に実装する具体的な手順や装置の開発設計と製造を進める。先進ミュー粒子ビームラインや実験施設の建設が若干遅延しているが、検出器用超伝導電磁石システムが完成したら実験室に設置して、CDCとCTHを内部に実装して宇宙線を用いた電子検出器の総合性能試験を実施することとする。これによって、先進ミュー粒子ビーム源が完成し次第遅滞なく物理測定を開始することを目指す。実データを用いた物理成果を創出しながらミュー粒子ビームの強度や性能を高度化し、段階的に物理感度の向上を目指す。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A-: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress in research has been made on the whole though a part of it has been delayed.
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