| Project/Area Number |
21K13950
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
北村 遼 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究職 (10838379)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | ミューオン / イオン源 |
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| Outline of Research at the Start |
素粒子標準模型を超えた新物理により起こりうるミュオニウム-反ミュオニウム転換過程を世界最高感度で探索するためには、信号事象である反ミュオニウム由来の負ミュオンを積極的に同定する新実験手法に加えて、背景事象となる負ミュオニウムイオンの生成を極限まで抑制することが重要である。
そのため負ミュオニウムイオン生成を原理的に抑制しつつ、負ミュオンを高効率で取り出せるイオン解離装置 (イオナイザー) を開発する。
本研究ではイオナイザー開発と原理実証実験を実施して、今後の物理測定に向けた基礎データを取得する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
素粒子標準模型を超えた新物理により起こりうるミュオニウム(Mu)-反ミュオニウム(Mubar)転換過程の探索に向けて、従来のMubar崩壊由来の電子と陽電子を検出する手法に代わり、Mubarを構成する負ミュオンを直接検出する新たな実験を計画している。新手法では、負ミュオンと誤同定されうる負ミュオニウムイオン (Mu-)が実験感度を制限するバックラウンドとなる。そのため本研究では、電子イオン解離反応を用いたイオン解離装置(イオナイザー)を開発することで、Mu-の誤検出を抑制して実験感度の向上を図る。イオナイザー内部では、大量の電子を用いてMubarをイオン解離したのち、負ミュオンを取り出す。令和5年度は、負水素イオン源の計算コード群をベースにイオナイザーのビーム引き出し電極系の設計を進めた。粒子輸送計算には大強度陽子加速器施設J-PARCのイオン源などの負水素イオン源分野で実績のあるfortranベースの計算コード群をミュオン用に改良して、J-PARCイオン源と同様の3つの電極から構成された引き出し系を設計した。 令和5年度の実績として、設計した電極電場でイオン解離したミュオンを引き出し、ミュオン寿命に比べて十分短い時間で引き出せることを確認した。一方引き出されたビームプロファイルは改善の余地があり、各電極への電圧設定と電極配置の微調整により最適化を図る。一連のシミュレーション結果を国際会議で発表し、プロシーディングスを出版した。令和6年度にイオナイザー試作機の製作を実施すべく、電子閉じ込め磁場の設計を継続している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
電子によるMubarのイオン解離は、従来に例の無い新しいアプローチであるため、対象となるミュオンの反応過程を定量的に評価するための数値計算手法の開発が重要となる。負水素イオン源の研究分野で確立したプラズマ計算手法をミュオン用イオナイザーへと応用する点が本研究の要点の一つであり、イオナイザー試作機の評価の基礎となる。一連の計算フレームワークは複数の計算コード群から構成されており、それらを横断的にカスタマイズすることで反応過程の計算を進めている。令和5年度はJ-PARCイオン源におけるプラズマ計算で使用されているfortranベースの計算コード群を改良した計算ツールによって、引き出し電極系に焦点を当てて設計を進めた。イオン解離されたミュオンがミュオンの寿命に比べて十分短い時間で引き出せることを確認できたことでイオナイザーの実現性を検証できた。一方で閉じ込めた電子によってミュオニウムがイオン解離する過程をParticle-In-Cellコードでシミュレーションするにあたり、いくつかの仮定を設定して物理過程の計算の見通しを良くする必要がある。そのため、プラズマ内で粒子集団が準中性状態である等の条件仮定をおいて物理過程を近似的に評価する方向性でコード開発を進めることとした。
そのため、現在までの進捗状況は計画より遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度では、イオン源研究者と不定期に打合せを実施して、ミュオン輸送コード開発を進めてきた。しかし議論の過程で電子閉じ込め磁場内に生じうるプラズマとその挙動をどこまで計算に盛り込むべきかについて検討の余地があることが明らかとなった。現時点の判断では準中性条件の仮定を置いて粒子の挙動を計算する方針である。開発したシミュレーションに基づいた機器設計を進めて、令和6年度に閉じ込め磁石を含むイオナイザー試作機を製作する。シミュレーション開発による物理過程の理解と並行して、試作機から得られる実験データを通してイオナイザーの特性や問題点の抽出を進める。開発中のシミュレーションでは、閉じ込め電子によるミュオニウムイオン解離において関与する物理過程のすべてを組み込むことはできないため、試作機から得られた実験データと計算結果の比較を通して、主要過程の理解を図る。遅滞無く計画を進められるよう、共同研究者と継続して緊密な研究進捗の議論を進めるべく、定期的な打合せを実施して効率的に研究に推進する。
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