ミューオンg-２精密測定に向けた高品質ミューオンビーム入射技術の確立

• 研究課題/領域番号: 20J21440
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 中沢 雄河 茨城大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 3,100千円 (直接経費: 3,100千円); 2022年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: ミューオン / 異常磁気能率 / 電気双極子能率 / IH-DTL / 線形加速器 / g-2 / EDM

研究開始時の研究の概要

標準模型による予測値と測定値との間に乖離が報告されているミューオン異常磁気能率(g-2)は、標準模型を超える物理の兆しが潜むと期待されており、我々は、先行実験とは全く異なる手法を用いたg-2精密測定計画を推進している。
測定におけるビーム由来の系統誤差を抑制するためには空間的・エネルギー的広がりが極めて小さいミューオンビームを均一度の高い磁場中に入射する必要がある。そこで、本研究では高品質なビームを生成するためのミューオン加速技術と小型な蓄積リングへ入射するための3次元螺旋入射技術を確立し、加速から蓄積に至るまでのビームダイナミクスが入射効率に与える影響を評価する。

研究実績の概要

大強度陽子加速器施設(J-PARC)では、前例のないミューオン加速器による空間的・エネルギー的に拡がり(エミッタンス)が小さいミューオンビームを用いたミューオン異常磁気能率(g-2)及び電気双極子能率(EDM)の精密測定実験を計画している。本研究では、ミューオン加速器の低速領域を担うInterdigital H-mode drift tube linac (IH-DTL)の研究開発を推進した。今年度は(1) IH-DTLプロトタイプの大電力試験、(2)IH-DTL実機の性能評価試験を行った。
(1)ミューオン加速に必要な電圧を励振するために大電力高周波電力をIH-DTLに投入する必要があるが、324-MHz IH-DTLの大電力運転の前例はない。そこで、原理実証のための実機の1/3スケールのプロトタイプを開発し、大電力運転の実証試験を実施した。運転初期は、多数の放電とガス放出が発生したが、運転開始から32時間後、要求の高周波電力に到達した。また、7時間の電力保持試験では、放電は一度も発生しなかったことから、324-MHz IH-DTLが安定に動作可能であることが実証できた。本成果は学術論文としてまとめた。
(2) 昨年度に製作したIH-DTL実機の性能評価試験を実施した。加速器性能の重要なパラメータである共振周波数やQ値は3次元有限要素法解析よる設計値を精度よく再現した。また、特異値分解を応用した電場補正手法により、IH-DTLの加速電場の誤差を適切に抑制することができた。 測定で得られた補正後の加速電場がビームダイナミクスに与える影響を評価するために、粒子軌道計算を実施したところ、加速電場の誤差による余分なエミッタンス増大は無視できるほど小さいことが判明した。以上より、開発したIH-DTLがJ-PARCミューオンg-2/EDM実験の要求を満たすことを示すことができた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] High-power test of an interdigital H -mode drift tube linac for the J-PARC muon g － 2 and electric dipole moment experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakazawa Y.、Cicek E.、Futatsukawa K.、Fuwa Y.、Hayashizaki N.、Iijima T.、Iinuma H.、Iwata Y.、Kondo Y.、Mibe T.、Mizobata S.、Morishita T.、Otani M.、Sue Y.、Takeuchi Y.、Tojo J.
  • 雑誌名: Physical Review Accelerators and Beams 巻: 25 号: 11 ページ: 110101-110101
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.25.110101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Power Test of an APF IH-DTL Prototype for the Muon Linac (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakazawa, H. Iinuma, Y. Iwata, E. Cicek, H. Ego, K. Futatsukawa, N. Kawamura, T. Mibe, S. Mizobara, M. Otani, N. Saito, T. Yamazaki, M Yoshida, Y. Kondo, R. Kitamura, T. Morishita, Y. Sue, K. Sumi, M. Yotsuzuka, Y. Takeuchi, N. Hayashizaki, and H. Yasuda
  • 雑誌名: Proceedings of LINAC2022 巻: － ページ: 275-278
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] ミューオン線形加速器 APF 方式 IH-DTL プロトタイプの大電力試験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中沢雄河, 飯沼裕美, 岩田佳之, Cicek Ersin, 惠郷博文, 二ツ川健太, 大谷将士, 河村成肇, 齊藤直人, 溝端仁志, 三部勉, 山崎高幸, 吉田光弘, 北村遼, 近藤恭弘, 森下卓俊, 須江祐貴, 鷲見一路, 四塚麻衣, 竹内佑甫, 林崎規託, 安田浩昌
  • 雑誌名: Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: － ページ: 197-201
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Multipacting Simulations of Coaxial Coupler for IH-DTL Prototype in Muon Accelerator (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakazawa Yuga、Iinuma Hiromi、Iwashita Yoshihisa、Iwata Yoshiyuki、Cicek Ersin、Otani Masashi、Kawamura Naritoshi、Kitamura Ryo、Kondo Yasuhiro、Saito Naohito、Sue Yuki、Takeuchi Yusuke、Hasegawa Kazuo、Hayashizaki Noriyosu、Mibe Tsutomu、Morishita Takatoshi、Yasuda Hiromasa他
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 33 ページ: 011128-011128
  • DOI: 10.7566/jpscp.33.011128
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an APF IH-DTL in the J-PARC Muon g-2/EDM Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakazawa, H. Iinuma, Y. Iwata, E. Cicek, M. Otani, N. Kawamura, R. Kitamura, Y. Kondo, N. Saito, Y. Sue, K. Sumi, Y. Takeuchi, N. Hayashizaki, T. Mibe, T. Morishita, H. Yasuda, T. Yamazaki, M. Yoshida, and M. Yotsuzuka
  • 雑誌名: Proceedings of IPAC2021 巻: － ページ: 2544-2547
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] ミューオン線形加速器APF方式IH-DTLプロトタイプの大電力試験に向けた開発状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中沢 雄河
  • 雑誌名: Proceedings of the 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 17th ページ: 154-157
• [雑誌論文] APF方式IH-DTLによるミューオン加速実証試験のための診断ビームラインの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中沢 雄河
  • 雑誌名: Proceedings of the 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 17th ページ: 254-257
• [学会発表] ミューオン異常磁気能率精密測定のためのミューオン線型加速器の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中沢雄河
  • 学会等名: 2022年度ビーム物理研究会・若手の会 本会
• [学会発表] Development and high power testing of an APF IH-DTL for the muon linac (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuga Nakazawa
  • 学会等名: International Workshop on Breakdown Science and High Gradient Technology (HG2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Muon acceleration for the muon g-2/EDM experiment at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuga Nakazawa
  • 学会等名: NuFact 2022: The 23rd International Workshop on Neutrinos from Accelerators
  • 国際学会
• [学会発表] High-Power Test of an APF IH-DTL Prototype for the Muon Linac (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuga Nakazawa
  • 学会等名: 31st International Linear Accelerator Conference 2022
  • 国際学会
• [学会発表] ミューオン線形加速器APF方式IH-DTLプロトタイプの大電力試験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中沢雄河
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] J-PARC muon g-2/EDM実験に向けたミューオン線形加速器の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中沢雄河
  • 学会等名: 第12回「Muon科学と加速器研究」研究会
• [学会発表] J-PARC muon g-2/EDM実験：ミューオン線形加速器における中エネルギービーム輸送ラインの基礎設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中沢雄河
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] J-PARC muon g-2/EDM実験に向けたミューオン線形加速器の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中沢雄河
  • 学会等名: flavor physics workshop 2021
• [学会発表] Development of an APF IH-DTL in the J-PARC Muon g-2/EDM Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuga Nakazawa
  • 学会等名: 12th International Particle Accelerator Conference
  • 国際学会
• [学会発表] ミューオン線形加速器APF方式IH-DTLプロトタイプの大電力試験に向けた開発状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中沢 雄河
  • 学会等名: 第17回日本加速器学会
• [学会発表] APF方式IH-DTLによるミューオン加速実証試験のための診断ビームラインの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中沢 雄河
  • 学会等名: 第17回日本加速器学会
• [備考] 国際線形加速器学会 LINAC2022 で優秀学生発表賞を受賞
  • URL: http://www.j-parc.jp/c/topics/2022/10/20001040.html
• [備考] 第19回加速器学会年会 (PASJ 2022) 年会賞
  • URL: https://www.pasj.jp/award_nenkai.html
• [備考] flavor physics workshop 2021 Best Talk賞
  • URL: https://agenda.hepl.phys.nagoya-u.ac.jp/indico/internalPage.py?pageId=0&confId=1771
• [備考] 第77回年次大会（2022年） 日本物理学会学生優秀発表賞
  • URL: https://www.jps.or.jp/activities/awards/gakusei/2022a-student-presentation-award.php?fbclid=IwAR2GtfKUb3GVR7behJnBPMNf68CfmubVMxOmcSgrK4l_ONXSkZrTDB63oAc