| 研究課題/領域番号 |
20H05625
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| 研究種目 |
特別推進研究
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
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)
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| 研究分担者 |
吉岡 瑞樹 九州大学, 先端素粒子物理研究センター, 准教授 (20401317)
近藤 恭弘 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, J－PARCセンター, 主任研究員 (40354740)
早坂 圭司 新潟大学, 自然科学系, 教授 (40377966)
飯沼 裕美 茨城大学, 基礎自然科学野, 准教授 (60446515)
佐々木 憲一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 教授 (70322831)
飯嶋 徹 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 教授 (80270396)
大谷 将士 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (90636416)
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| 研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
636,220千円 (直接経費: 489,400千円、間接経費: 146,820千円)
2025年度: 13,650千円 (直接経費: 10,500千円、間接経費: 3,150千円)
2024年度: 70,460千円 (直接経費: 54,200千円、間接経費: 16,260千円)
2023年度: 91,780千円 (直接経費: 70,600千円、間接経費: 21,180千円)
2022年度: 143,130千円 (直接経費: 110,100千円、間接経費: 33,030千円)
2021年度: 237,250千円 (直接経費: 182,500千円、間接経費: 54,750千円)
2020年度: 79,950千円 (直接経費: 61,500千円、間接経費: 18,450千円)
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| キーワード | ミュオン / 異常磁気能率 / 電気双極子能率 / 超精密測定 / ミュオン加速 / 長精密測定 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
多くの実験事実と、数学的な整合性を基盤に築き上げられた素粒子標準理論は、様々な素粒子現象を定量的に説明する極めて堅牢な理論である。しかしながら、近年の研究により必然的に素粒子標準理論を超える新しい物理法則（新物理）の存在が要請される。ミュオン異常磁気能率(g－2)は素粒子標準理論よりも大きな値を持つことが示唆されており、新しい測定が求められている。本研究ではJ-PARCの大強度陽子ビームの特徴を最大限に生かし、新しい実験技術と組み合わせることにより、従来とは異なる研究手法によりミュオンg－2および電気双極子能率(EDM)の超精密測定を行い、素粒子標準理論と比較することで新物理の存在に迫る。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、従来と全く違う手法を用いた超精密測定を行い、g-2に新物理の効果が見えているのかに決着をつけるとともに、EDMを世界最高精度で探索することが目的である。通常、ミュオンビームは陽子加速器からのビームが標的で原子核反応を起こしてパイオンを生成し、その崩壊により生じるミュオンを捕獲・輸送することにより得られる。これらの過程でビームエミッタンス(位相空間体積)は大きく拡がるため、高輝度なビームを得ることができない。従来の研究では、 ビームに起因する系統誤差が支配的であった。これを抜本的に解決するため、低エミッタンスのビームを用いて高効率で超高精度測定器に入射するのが本実験である。これにより、従来は不可能であった、高い効率ビーム入射、収束電場の排除、より高い磁場一様性・陽電子飛跡の完全再構成を実現し、従来の系統誤差要 因を完全に払拭する点が独自である。この研究目的を達成するため、本研究では、2つの研究開発項目「A高輝度ビーム」・「B. 超高精度測定器」を設定し、新しい実験技術を実現し、新しい手法による実験を完成させ、測定を実施する。「A. 高輝度ビーム」の開発項目は、世界初の冷却ミュオンの加速による低エミッタ ンスビームの実現、世界初の3次元らせん入射による高効率なビーム入射と蓄積である。「B. 超高精度測定器」の開発項目は、超精密磁場測定手法と一様性が極 めて高いミュオン蓄積磁場、高係数率とその変化に対して極安定に動作する飛跡検出器と飛跡再構成、これらの測定器のデータ収集・データ解析システムの構築 である。これらの項目について、概ね当初の予定通りに開発を進めることができ、その一部を学術論文等に報告した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
Mu 1S-2S共鳴イオン化による超低速ミュオン生成条件の最適化および超低速ミュオンビーム特性の測定を行った。さらにこの超低速ミュオンをRFQ加速器に入射することにより、100keVまでのミュオン加速を実現した。IH-DTLは、安定したミューオン加速に必要な制御を可能にする高周波データ取得回路の開発に成功した。DAWはタンク試作機を製作し、十分な高周波特性を有していることを確認した。DLSは移相誤差や空洞冷却温度などに起因するビームダイナミクスのエラースタディを実施した。入射部の設計では、入射ビーム位相空間の見直し最適化を行った。実機キッカー電流、高圧試験を行うテストベンチの運用を開始した。キッカー波形を設計に近づける回路決定、キッカーコイル浮遊インダクタンス調整、過渡応答評価を行う準備を整えた。磁石設計は、真空容器への電流導入端子を含むキッカーコイルの構造設計案を磁石モデルに取り込み、鉄ヨークやその他の構造物との干渉がないかどうかの検証を進めた。またシミングシステムに関して、鉄片を用いるパッシブシステムと、超伝導シムコイルを用いるアクティブシステムの最適化を進めた。
陽電子飛跡検出器はクォーターベーンプロトタイプを用いた各種動作試験を行い、実機作製に向けてフィードバックを行っている。現在の冷却機構により、読み出し基板が十分に冷却できることを確認した。FPGAベース読み出し基板の並列読み出し試験を進めた。これまでに2 台の基板と1G ネットワークスイッチを用いて並列読み出しを実施し、想定されるデータレートでの読み出しが可能であることを確認した。崩壊陽電子飛跡の再構成においては既存のアルゴリズムのフィッティングパラメータの最適化を行い、45%の速度改善を達成した。これと並行してGPUを用いた飛跡探索アルゴリズムの開発も進め、ハフ変換の実装まで完了した。
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| 今後の研究の推進方策 |
「A高輝度ビーム」・「B. 超高精度測定器」の開発を継続し、新しい手法による実験を完成させる。H2エリアへの初めてのビーム取り出し・調整を行い、性能評価する。また超低速ミュオン発生を実施する。診断ラインで超低速ミュオンをモニターしながら、表面ミュオンビームやレーザー空間時間波長プロファイル、静電加速や磁場補正などの最適化を実施する。
IH-DTLは、高周波源の運転に必要なパルス電源の実機製作を進める。DAWは、カプラーを含めた製作手法の原理実証を完了する。DLSは、目標となる加速勾配の運転に不可欠なパルス圧縮運転に必要な機器の設計を行う。
入射部では入射ビーム診断装置の仕様の策定を最優先に行う。また、過渡解析の評価と電流波形のリンギング対策、キック後の残留電流評価を実施する。磁石設計は、キッカーコイル設計を踏まえた上で、鉄ヨーク構造を決定する。磁場測定器は多チャンネル読出可能なプローブの最終形状を求め、必要台数の製作を行う。
陽電子飛跡検出器は、4枚のクォーターベーンを精密に位置合わせをしながら組み合わせた実機相当のベーンを製作し、検出機の組み立て方法を確立する。さらに、ベーンを取り付けるセンターポールを試作し、検出器の組み上げ試験を行う。データ収集システムは20 台の並列読み出し試験を通じて、1G ネットワークスイッチの性能を評価する。その後、全てのデータをまとめて読み出す試験を実施する。この試験により、10G ネットワークスイッチを性能を評価する。飛跡再構成アルゴリズムの更なる改善を進め、現行のアルゴリズムをベースとした手法で10倍の速度改善を目指す。並行してGPUおよび機械学習を用いた飛跡再構成アルゴリズムも完成させ、既存のアルゴリズムとの比較を行う。新たに開始した主要な統計が1バンチに集中したシミュレーションサンプルの生成を完了させる。
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| 評価結果 |
中間評価
B: 研究が遅れており、今後一層の努力が必要である
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