Promotion of muon particle physics in an international framework

• Project/Area Number: 22K21350
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research )
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大谷 航 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 准教授 (30311335) ; 北野 龍一郎 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 (50543451) ; 三部 勉 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 (80536938)
• Project Period (FY): 2022-12-20 – 2029-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥680,160,000 (Direct Cost: ¥523,200,000、Indirect Cost: ¥156,960,000); Fiscal Year 2028: ¥59,150,000 (Direct Cost: ¥45,500,000、Indirect Cost: ¥13,650,000); Fiscal Year 2027: ¥67,600,000 (Direct Cost: ¥52,000,000、Indirect Cost: ¥15,600,000); Fiscal Year 2026: ¥75,920,000 (Direct Cost: ¥58,400,000、Indirect Cost: ¥17,520,000); Fiscal Year 2025: ¥115,960,000 (Direct Cost: ¥89,200,000、Indirect Cost: ¥26,760,000); Fiscal Year 2024: ¥146,120,000 (Direct Cost: ¥112,400,000、Indirect Cost: ¥33,720,000); Fiscal Year 2023: ¥111,540,000 (Direct Cost: ¥85,800,000、Indirect Cost: ¥25,740,000); Fiscal Year 2022: ¥103,870,000 (Direct Cost: ¥79,900,000、Indirect Cost: ¥23,970,000)
• Keywords: 大強度ミューオンビーム / ミューオン冷却 / ミューオン加速 / ミューオン稀崩壊粒子測定技術 / ミューオンコライダー / ミューオン崩壊粒子測定技術 / ミューオン / レプトンフレーバー

Outline of Research at the Start

本研究では、新たに構築する国際協力体制によりミューオン素粒子物理を強力に推進する。3つの世界最高感度のミューオン素粒子実験であるg-2/EDM実験、MEG II実験、COMET実験において新物理発見を目指すとともに、大強度・高輝度ミュー オン源と測定技術の開発を行い、新物理全容解明を可能にする次世代実験の実現を目指す。更には、こういった国際的な共同研究を通じて次世代実験を担う優秀な若手人材の育成も実施する。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度には構築してきた国際協力体制によりミューオン素粒子物理研究を遂行した。本研究では3つの世界最高感度のミューオン素粒子実験で新物理発見を目指して、大強度・高輝度ミューオン源と測定技術の開発を行い理論グループと協力して新物理全容解明を可能にする次世代実験の実現を目指している。
2023年度は研究の2年目にあたり研究体制の強化を行い具体的な研究推進へと移行した。研究の4つ柱である大強度ミューオンビームに関連した技術開発、 ミューオン冷却・加速技術の開発、ミューオン崩壊粒子測定技術の開発、新物理理論と将来のミューオンコライダーの理論研究において、本研究の研究費により若手人材の雇用を開始し、大学院生も含めて本研究に参加する若手研究者が国内外で研究に集中できる環境の整備を進めた。
具体的な研究成果としては、大強度ミューオンビームに関連した技術開発においては2022年度にJ-PARCにて取得した8GeV陽子によるパイ中間子の後方生成データを若手が中心となって解析を行い、このような条件でのミューオン生成率を世界で初めて導出した。ミューオン冷却・加速技術の開発においては、ミューオン冷却を実施しミューオンの位相空間分布を測定した。ミューオン崩壊粒子測定技術の開発においては、μ→eγ崩壊によって生じるガンマ線を捉えるための液体キセノン検出器の安定運転を実現し大統計での物理データの取得を行なった。これらの研究においてはいずれも本研究資金により雇用された若手研究者、大学院生が中心となって実現したものである。また、2023年6月には本研究メンバーが中心となって準備してきたミューオン物理に関する国際会議（CLFV2023）を、10月にはPSI研究所との共同研究会（BRIDGE）を実施し、11月にはKEK-PH2023を、2024年3月には理論実験グループが合同で国際研究会を開催した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度に引き続き、海外研究機関への派遣行いつつ、海外協力研究者らの来日を促し国際共同研究を活発に推進している。2023年度にはのべ16名の若手研究者が短期海外渡航を行い、1か月を超える長期海外派遣については4名の若手研究者が行なった。また日本国外からは大学院生、ポスドク研究者を含めて30名を超える来日があった。 日本国内で若手研究者が研究を実施するために要となる環境の整備、PSI研究所における研究環境の整備はほぼ完備し、本研究の研究費による若手研究者の雇用は当初は遅れがあったが現在は予定通り行われている。

Strategy for Future Research Activity

2024年度には雇用した若手研究者と大学院生が主体となって、本格化してきた研究の4つの柱で研究を遂行する。2024年度には前年度に引き続き若手研究者らが海外の研究機関に長期滞在して研究を遂行するための派遣を実施し、海外協力研究者と協力して研究を遂行する。大強度ミューオンの生成技術の開発においてはビーム生成に必要となる遮蔽体の整備を継続し、ミューオン冷却・加速技術の開発においては前年度得られた超冷却ミューオン位相空間分布に基づくミューオン加速の実現、ミューオン崩壊粒子測定技術の開発では大統計でのμ→eγデータの取得と光センサーの高度化、新たなミューオン物理用検出器の開発を実施する。理論研究においてはミューオン物理を通してTeVスケール物理を探る手法に関して若手研究者・シニア研究者が一体となって研究を継続する。
2024年度には本研究の研究代表者と分担者が組織委員として準備してきたミューオン物理に関する国際研究会をPSI研究所で開催する。この研究会では若手研究者らにこれまでの研究成果について講演を行なうよう促すとともに、会議に参加して豊かな国際性を早い段階から身につけていくことを目指す。また2023年度から研究の活性化が起こったミューオンコライダー計画に関して、理論、実験の双方から本研究の研究成果を反映させるべく、米国で開催予定の国際ワークショップに若手を含めた本研究の研究グループメンバーが参加する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] INFN/Pisa(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Seoul National University/Institute for Basic Science/University of British Columbia(韓国)
• [Int'l Joint Research] TRIUMF/University of Victoria(カナダ)
• [Int'l Joint Research] IHEP/Sun Yat-Sen University(中国)
• [Int'l Joint Research] PSI(スイス)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] INFN Pisa/INFN Rome/INFN Genova(イタリア)
• [Int'l Joint Research] JINR/BINP(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] IIT-Bombay(インド)
• [Int'l Joint Research] IBS/Sungkyunkwan university(韓国)
• [Int'l Joint Research] PSI/ETH(スイス)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Operation and performance of the MEG II detector (2024)
  • Author(s): MEG II Collaboration、Afanaciev K., Mihara. S, Ootani W. et al.
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 84 Issue: 2 Pages: 1-44
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-024-12415-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic Field Measurement of Superconducting Transport Solenoid for COMET (2024)
  • Author(s): Arimoto Y.、Aoki K.、Ohuchi N.、Sumi N.、Yoshida M.、Sasaki K.、Iio M.、Makida Y.、Mihara S.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3343683
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pulsed muon facility of J-PARC MUSE (2024)
  • Author(s): Shimomura Koichiro、Mibe Tsutomu、et al.
  • Journal Title: Interactions Volume: 245 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01863-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precise control of a strong X-Y coupling beam transportation for J-PARC muon g-2/EDM experiment (2024)
  • Author(s): Iinuma Hiromi、Abe Mitsushi、Sasaki Ken’ichi、Nakayama Hisayoshi、Mibe Tsutomu、Ogawa Shinji、Yamanaka Takashi、Sato Yutaro
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2687 Issue: 2 Pages: 022034-022034
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2687/2/022034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prototype study of and MHz/cm2 tolerant Resistive Plate Chamber with Diamond-Like Carbon electrodes (2024)
  • Author(s): Ieki Kei、Li Weiyuan、Ochi Atsuhiko、Onda Rina、Ootani Wataru、Oya Atsushi、Takahashi Masato、Yamamoto Kensuke
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1064 Pages: 169375-169375
  • DOI: 10.1016/j.nima.2024.169375
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A search for μ+ → e+ + γ with the first dataset of the MEG II experiment (2024)
  • Author(s): Afanaciev K.、Mihara S.、Ootani W.、et al..、MEG II Collaboration
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 84 Issue: 3 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-024-12416-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of the Superconducting Magnet System for the New g-2/EDM Experiment in the J-PARC (2023)
  • Author(s): 佐々木憲一
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3251283
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of the Magnetic Field Error Due to Manufacturing Tolerance of Superconducting Magnet for the J-PARC Muon g-2/EDM Experiment (2023)
  • Author(s): Oyama S.、Abe M.、Iinuma H.、Mibe T.、Sasaki K.、Saito N.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3241828
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Study of Vibration Effect on Magnetic Field Homogeneity in the Magnet System for the g-2/EDM Experiment at the J-PARC (2023)
  • Author(s): Sasaki Ken-ichi、Abe Mitsushi、Mibe Tsutomu、Saito Naohito、Ando Ryuya、Chiba Tomoo、Koga Tomoyuki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3251290
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interdigital H-Mode Drift Tube Linear Accelerator for a Muon Linear Accelerator (2023)
  • Author(s): Nakazawa Yuga、Mibe Tsutomu、et al.
  • Journal Title: Physical Science Forum Volume: 20 Pages: 1-6
  • DOI: 10.3390/psf2023008020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New beamlines and future prospects of the J-PARC muon facility (2023)
  • Author(s): T. Yamazaki, N. Kawamura, K. Shimomura, Y. Miyake, Y. Oishi, T. Adachi, P. Strasser, A. Koda, H. Fujimori, T. Yuasa, Y. Ikedo, Y. Kobayashi, K. Sasaki, T. Mibe, T. Ushizawa, Y. Higashino, D. Nagao, M. Aoki, K. Hase, S. Kaneko, R. Tagawa, T. Uematsu, Y. Seiya, S. Uetake, T. Masuda, H. Tada, S. Sugiyama, and K. Suzuki
  • Journal Title: EPJ Web Conf. 282 Volume: 282 Pages: 01016-01016
  • DOI: 10.1051/epjconf/202328201016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lepton flavor physics at μ+μ+ colliders (2023)
  • Author(s): Fridell Kare、Kitano Ryuichiro、Takai Ryoto
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2023 Issue: 6 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1007/jhep06(2023)086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum electrodynamics on the lattice and numerical perturbative computation of g-2 (2023)
  • Author(s): Kitano Ryuichiro、Takaura Hiromasa
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2023 Issue: 10 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1093/ptep/ptad125
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] MEG II実験でのμ→ eγ探索解析の現状 －2021年解析の結果と2022年陽電子データの状況－ (2024)
  • Author(s): 大矢 淳史
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] MEG II実験でのμ→ eγ探索解析の現状－ガンマ線再構成の改良と2022年データ解析の見通し－ (2024)
  • Author(s): 山本 健介
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] MEG II実験：2023年ランにおける液体キセノン検出器安定性およびアニーリングによる検出効率回復 (2024)
  • Author(s): 潘 晟
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] MEG II 実験液体キセノン検出器用 VUV-MPPC の放射線耐性に関する研究 (2024)
  • Author(s): 馬越隆成
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] MEG II実験陽電子タイミングカウンターの改修と性能見積もり (2024)
  • Author(s): 米本拓
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] COMET実験のためのタングステンビームブロッカーに関する研究 (2024)
  • Author(s): 岡部 剣也
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] COMET実験のためのストロー飛跡検出器実機の建設状況と基礎性能評価 (2024)
  • Author(s): 東出 公晃
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのミューオニウムイオン化用244nm光源開発 (2024)
  • Author(s): 上岡 修星
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Higgs Production at mu^+ mu^+ Colliders (2024)
  • Author(s): Lukas Treuer
  • Organizer: Hokkaido Workshop on Particle Physics at Crossroads
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design study of muTRISTAN (2024)
  • Author(s): 吉田光宏
  • Organizer: Hokkaido Workshop on Particle Physics at Crossroads
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] μTRISTAN (2024)
  • Author(s): 松戸竜太郎
  • Organizer: Hokkaido Workshop on Particle Physics at Crossroads
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MEG II実験・液体キセノン検出器の2023年ランの運転状況 (2023)
  • Author(s): 潘晟
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] MEG II実験液体キセノン検出器2022年データの解析状況 (2023)
  • Author(s): 松下彩華
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] レプトンフレーバーを破るミュー粒子稀崩壊探索実験MEG II最初の結果 (2023)
  • Author(s): 岩本敏幸
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
  • Invited
• [Presentation] MEG II実験2021年データを用いた液体キセノンガンマ線検出器の性能および測定量の系統誤差の評価 (2023)
  • Author(s): 山本健介
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] MEG II実験2021データを用いたμ→ eγ探索結果 (2023)
  • Author(s): 大矢淳史
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] MEG II実験液体キセノン検出器用VUV-MPPCの放射線損傷に関する研究 (2023)
  • Author(s): 馬越隆成
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] MEG II実験陽電子タイミングカウンターの放射線損傷状況の定量的評価と改修計画 (2023)
  • Author(s): 米本拓
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] COMET実験のためのストロー飛跡検出器実機の建設とビーム照射試験 (2023)
  • Author(s): 東出公晃
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] Detector technologies in searches for charged lepton flavour violation at PSI (2023)
  • Author(s): Lukas Gerritzen
  • Organizer: BRIDGE2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The First Result of MEG II on Search for mu -> e + gamma (2023)
  • Author(s): 森俊則
  • Organizer: BRIDGE2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Struggle to Produce Muons with Teachers and Friends (2023)
  • Author(s): 牧村俊助
  • Organizer: BRIDGE2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] μTRISTAN (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: Muons in Minneapolis Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] μTRISTAN (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: Muon Collider Physics Benchmark Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Physics at μTRISTAN (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: IPNS Workshop on Muon acceleration and future colliders with muon
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] μTRISTAN (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: International Workshop on particles, cosmology and strings (PASCOS2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] μTRISTAN (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: International Workshop on Higgs as a Probe of New Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] μTRISTAN (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: Muon4Future workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Novel μ+e－ collider for precision Higgs measurement (2023)
  • Author(s): 北野龍一郎
  • Organizer: IDT-WG3-Phys Open Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] μ+e-, μ+μ+コライダーで探るレプトンフレーバーの物理 (2023)
  • Author(s): 高井崚聖
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] μ+e-コライダー，μ+μ+コライダー (μ TRISTAN) での物理 (2023)
  • Author(s): 高浦大雅
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
  • Invited
• [Presentation] J-PARC muon g-2/EDM実験：クロック・トリガー分配用ボードの開発 (2023)
  • Author(s): 岡崎佑太
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] J-PARC muon g-2/EDM実験のためのイオン化レーザーの開発 (2023)
  • Author(s): 上岡修星
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] COMET実験のためのストロー飛跡検出器の実機建設およびフロントエンド回路の較正 (2023)
  • Author(s): 東出公晃
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] MEG II実験2022年物理ランにおける液体キセノンガンマ線検出器光センサー較正および時間分解能評価 (2023)
  • Author(s): 松下彩華
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] MEG II実験・液体キセノン検出機の較正および2023年ランにむけたアニーリングについて (2023)
  • Author(s): 潘晟
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] μ+ → e+ γ探索実験MEG II Run 2022のまとめと今後の展望 (2023)
  • Author(s): 内山雄祐
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] MEG II実験背景事象抑制に向けたDLC-RPC検出器の開発 -新型電極設計の最適化 (2023)
  • Author(s): 李維遠
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] MEG II実験背景事象抑制に向けたDLC-RPC検出器の開発 －実機で期待される性能－ (2023)
  • Author(s): 山本健介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Remarks] J-PARC muon g-2/EDM experiment
  • URL: https://g-2.kek.jp
• [Remarks] mu-e conversion search at J-PARC COMET experiment
  • URL: https://comet.kek.jp
• [Remarks] MEG II 実験
  • URL: http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/meg/index.html
• [Funded Workshop] Hokkaido Workshop on Particle Physics at Crossroads (2024)