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大強度ミュー粒子源で迫る荷電レプトンの世代混合と新物理の探索

研究課題

研究課題/領域番号 22H04941
研究種目

基盤研究(S)

配分区分補助金
審査区分 大区分B
研究機関九州大学

研究代表者

東城 順治  九州大学, 理学研究院, 教授 (70360592)

研究分担者 西口 創  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, 准教授 (10534810)
武藤 亮太郎  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 (50392147)
研究期間 (年度) 2022-04-27 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
191,360千円 (直接経費: 147,200千円、間接経費: 44,160千円)
2025年度: 34,450千円 (直接経費: 26,500千円、間接経費: 7,950千円)
2024年度: 33,800千円 (直接経費: 26,000千円、間接経費: 7,800千円)
2023年度: 48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)
2022年度: 52,780千円 (直接経費: 40,600千円、間接経費: 12,180千円)
キーワードミューオン / 荷電レプトン / 世代混合 / ミューオン-電子転換過程
研究開始時の研究の概要

ヒッグス粒子の発見により素粒子標準模型 (SM) は一定の完成を遂げ、最重要課題は SM を超える新物理の解明である。物質を構成するクォーク・ レプトンでは、多くの新物理模型が荷電レプトンの世代混合を予測しているが未発見である。特に、ミュー粒子が電子に転換する過程は、発見感度が高く注目されている。そこで、(I) 荷電レプトンに世代混合は起こるのか? (II) その世代混合を起こす新物理の正体は?、を学術的「問い」として設定し、J-PARC 加速器の大強度パルスミュー粒子源と高感度検出器で史上最高感度のミュー粒子-電子転換過程を探索する COMET 実験を早期に実現し、新物理の発見を目指す。

研究実績の概要

COMET 実験の計画全体としては、Phase-α を 2023 年 2, 3 月に遂行した。初めての μ 粒子の同定に成功し、実機仕様のストロー飛跡検出器 1 台を動作させ、実機の量産に向けて有益な知見を得ることができた。
ストロー飛跡検出器は、最終的に5台必要である。ストロ ー全数の製作を完了し、圧力容器は 4 台目まで完成して、それぞれでストロー実装、ワイヤー実装が進行している。読み出し回路は、Phase-α で得た知見に基づき、量産に向けた評価が進行中である。並行して、必要とする電子回路部品、 ASIC, FPGA を確保し、量産準備が進行中である。
ECAL は、最大で 512 本の LYSO 結晶を用いる。結晶の 92%, APD の 84% の製作を完了した。APD 読み出し基板は、一部の電子回路部品を修正し、量産の準備が進行中である。前置増幅回路は試作・評価を完了し、部品調達が進行中である。波形読み出し回路・スローコントロール用中間基板・高電圧印加基板・フィードスルー基板など、全数の製作を完了した。支持構造体は、全てのモジュールを設置する容器、容器内でモジュールを固定する構造体の製作が完了した。
加速器改良では、extinction 性能を向上させるため、Phase-α で入射キッカーが作る反射波の大きさ・タイミングを定量的に測定した。半導体スイッチを放射線量の多いトンネル内ではなく、電源棟に設置した場合の反射波の低減の可能性について、回路シミュレーションを用いて検討を進めている。大強度化に向けた新型セプタムの開発では、Phase-α でのビームプロファイル測定から、必要なセプタム口径を推定した。セプタム導体の設計と並行して、現行の電源で励磁可能な大口径セプタムの検討を進めている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

COMET 実験の計画全体としては、パルス μ 粒子ビームラインの建設状況、2 次粒子捕獲ソレノイドの改修等の状況から、Phase-I は 2026 年度に開始することを計画している。
Phase-α は 2023 年 2,3 月に遂行して、初めての μ 粒子の同定し、ストロー飛跡検出器の量産に向けた知見を得ることができ、大部分の目的を達成した。
StrECAL 検出器のストロー飛跡検出器と ECAL は、実機建設に向けた量産を開始している。
一部の開発要素を残しつつも、その試作・評価は進行中であり、実機建設に向けて着実に進展している。
加速器改良では、多くの知見を Phase-α で得ることができ、入射キッカーと新型セプタムの開発が進展した。

今後の研究の推進方策

Phase-I に向けた StrECAL 検出器の建設を継続して遂行する。並行して、検出器ソレノイド内へ設置するための詳細設計と手法を検討する。検出器ソレノイド内へ、まずストロー飛跡検出器を設置し、ガス配管・ケーブル・読み出し回路等の実装、次に、ECAL をビーム軸下流側から挿入するため、設置を 実現するための治具を製作する。Phase-I でビーム計測を遂行するため、現実的なモンテカルロ・ シミュレーションにより、高感度検出器として期待される性能の評価も行い、Phase-I の探索で要求される背景事象の評価性能を研究する。

加速器改良では、入射キッカーへの半導体スイッチの導入、広いギャップをもつ新型セプタムの開発を引き続き進める。Phase-α における 8 GeV 陽子の遅い取り出しビームの時間構造が重要であることが理解でき、加速器光学に対するビーム取り出し量のフィードバックアルゴリズムの改善を進める。

評価記号
中間評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる

報告書

(4件)
  • 2024 中間評価(所見) ( PDF )
  • 2022 研究概要(採択時) ( PDF )   審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] CNRS/IN2P3(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] onash University(オーストリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Institute of High Energy Physics/Sun Yat-Sen University(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Institute for Basic Science(韓国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Simulation study on the slow extraction for the improvement of the beam shill structure at J-PARC Main Ring2024

    • 著者名/発表者名
      Muto R、Kimura T、Murasugi S、Okamura K、Shirakabe Y、Tomizawa M、Yanaoka E、Numai K、Matsumura A
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 2687 号: 5 ページ: 052032-052032

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2687/5/052032

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A search for a muon to electron conversion in COMET2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Fujii on behalf of the COMET collaboration
    • 雑誌名

      JINST

      巻: 18 号: 10 ページ: C10010-C10010

    • DOI

      10.1088/1748-0221/18/10/c10010

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Vacuum-Compatible, Ultra-Thin-Wall Straw Tracker; Detector construction, Thinner straw R&D, and the brand-new graphite-straw development2022

    • 著者名/発表者名
      Nishiguchi H.、Danielsson H.、Hamada E.、Hashimoto Y.、Kamei N.、Mihara S.、Osawa O.、Suzuki J.、Tsamalaidze Z.、Tsverava N.、Ueno K.、Volkov A.、Watanabe K.
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      巻: 1042 ページ: 167373-167373

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.167373

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] COMET 実験の電磁カロリメーターに用いる LYSO 結晶の品質管理2024

    • 著者名/発表者名
      塩谷漸 他
    • 学会等名
      日本物理学会 2024 年春季大会、オンライン、2024 年 3 月 18-21 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] COMET 実験用電磁カロリメーターの検出器モジュールの開発2024

    • 著者名/発表者名
      吉川大智 他
    • 学会等名
      日本物理学会 2024 年春季大会、オンライン、2024 年 3 月 18-21 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Performance Evaluation of the Readout Electronics Boards for ECAL system in COMET Phase I Experiment2024

    • 著者名/発表者名
      David Zhou 他
    • 学会等名
      日本物理学会 2024 年春季大会、オンライン、2024 年 3 月 18-21 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      東出公晃 他
    • 学会等名
      日本物理学会 2024 年春季大会、オンライン、2024 年 3 月 18-21 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Spill structure with newly upgraded main magnet power supplies in J-PARC Main Ring2024

    • 著者名/発表者名
      R. Muto
    • 学会等名
      5th Slow Extraction Workshop, Wiener Neustadt, Germany, Feb. 2024
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development and Production of the Electromagnetic Calorimeter Module for the COMET Phase I Experiment2023

    • 著者名/発表者名
      David Zhou 他
    • 学会等名
      日本物理学会第 78 回年次大会、東北大学、2023 年 9 月 16-19 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      東出公晃 他
    • 学会等名
      日本物理学会第 78 回年次大会、東北大学、2023 年 9 月 16-19 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 静電セプタム上流の散乱体による周辺機器の放射化量評価2023

    • 著者名/発表者名
      武藤亮太郎 他
    • 学会等名
      日本加速器学会第 20 回年会、日本大学、2023 年 8 月 29-9 月 1 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      東出公晃 他
    • 学会等名
      日本物理学会 2023 年春季大会、オンライン、2023 年 3 月 22-25 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Devices for High-Efficiency Slow Extraction at J-PARC Main Ring2023

    • 著者名/発表者名
      R. Muto et al.
    • 学会等名
      High-Intensity High-Brightness Hadron Beams (HB'23), Geneva, Switzerland, Oct. 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation study on the slow extraction for the improvement of the beam spill structure at J-PARC main ring2023

    • 著者名/発表者名
      R. Muto et al.
    • 学会等名
      IPAC'23, Venice, Italy, May 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] J-PARC メインリングにおける遅い取り出しスピルシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      武藤亮太郎 他
    • 学会等名
      日本加速器学会第 19 回年会、オンライン、2022 年 10 月 18-21 日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2025-04-17  

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