異常磁気能率精密測定のためのミューオン加速実証研究

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H03987
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 近藤 恭弘 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, 副主任研究員 (40354740)
• 研究分担者: 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, 助教 (90636416)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: RFQ / ミューオン加速 / 超低速ミューオン / ミューオン異常磁気モーメント / リニアック / 負ミューオニウム生成 / 高周波加速

研究実績の概要

本研究計画は、ミューオン異常磁気モーメント（ミューオンg-2）精密測定実験のためのミューオンリニアックのうち、初段加速器である高周波四重極加速空洞（RFQ）によるミューオン加速の実証を目的とする。これまでとは違った、より精密なミューオンg-2測定のためには、エミッタンスの小さいミューオンビームが必須であり、このビームをリニアックによって得るのが我々の計画である。
本年度は当初の計画通りミューオン加速実験を行った。加速実験を行う予定であったJ-PARCミューオン施設のHラインの建設が予定より遅れているため計画を変更し、汎用ビームラインであるDラインで加速実験を行うこととした。RFQ本体については当初計画ではJ-PARCリニアック用の予備機を用いる予定であったが、このRFQではDラインの実験エリアに収まらないので、J-PARC RFQの試作機である、本来の長さの半分のRFQを利用した。このため、RFQ出口の診断系架台をRFQ架台と一体の構造とする必要が生じたため、新たに設計し、製作した。RFQが変更になったので、RFQのビームシミュレーションを見直し、診断ビームラインの設計を変更した。また、ビーム検出器の真空チャンバも新たに製作した。
ミューオン加速実験は平成29年10月に行われ、世界初となるRF加速器によるミューオン加速に成功した。結果を論文にまとめて投稿し、採択されPhysical Review Accelerator and Beams誌に掲載予定である。

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

本年度の研究計画では、RFQによるミューオン加速の実証が目的であった。加速実験を行う予定であったJ-PARCミューオン施設のHラインの建設が予定より遅れているため計画を変更し、J-PARC RFQの試作機を利用し、汎用ビームラインであるDラインで加速実験を行った。RFQ出口の診断系架台をRFQ架台と一体の構造とし、製作した、また、ビーム検出器の真空チャンバも新たに製作し、加速試験を行った。世界初となるRF加速器によるミューオン加速に成功し、結果はPhysical Review Accelerator and Beams誌に掲載予定である。

今後の研究の推進方策

平成30年度は、実際のg-2実験に用いるRFQの設計を行う。本年度加速実証実験に用いたRFQでは設計電場の1/9での使用となり加速効率が非常に悪い。ミューオンは寿命が2.2マイクロ秒と短く速やかな加速が重要であるので、実際にg-2実験を行うためには、ミューオン専用のRFQが必要である。このミューオン専用RFQでは、ボア半径を広げることで強い加速電場を掛けられるようにし、加速効率を向上させミューオンの崩壊による収量の減少を減らせる見込みである。入射マッチングや必要なアクセプタンス等、実際のビームによるデータを用いてさらなる最適化を行うことが重要となる。本年度の加速実験で得られた結果をフィードバックして、世界初となるミューオン加速専用RFQの設計を完成させる。この設計での実機RFQの製作は本研究課題の予算範囲を超えるので行わないが、これまでの経験から、この規模のRFQの製作期間としては1年以内が見込まれ、ビーム試験の結果を反映した設計が完了していれば、速やかに世界初となるミューオン加速用実機RFQを得ることが可能となる。

研究成果

• [雑誌論文] ミュオンg-2/EDMの精密測定を実現するミュオン高周波加速 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大谷将士、近藤恭弘、三部勉
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 73 ページ: 564-568
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] First muon acceleration (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Bae, H. Choi, S. Choi, Y. Fukao, K. Futatsukawa, K. Hasegawa, T. Iijima, H. Iinuma, K. Ishida, N. Kawamura, B. Kim, R. Kitamura, H. S. Ko, Y. Kondo, S. Li, T. Mibe, Y. Miyake, T. Morishita, Y. Nakazawa, M. Otani, G. P. Razuvaev, N. Saito, K. Shimomura, Y. Sue, E. Won, T. Yamazaki
  • 雑誌名: Physical Reveiw Accelerator and Beams 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Beam dynamics design of the muon linac high-beta section (2017)
  • 著者名/発表者名: Kondo Y、Hasegawa K、Otani M、Mibe T、Yoshida M、Kitamura R
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 874 ページ: 012054～012054
  • DOI: 10.1088/1742-6596/874/1/012054
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First trial of the muon acceleration for J-PARC muon g-2/EDM experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: Kitamura R、Otani M、Fukao Y、Kawamura N、Mibe T、Miyake Y、Shimomura K、Kondo Y、Hasegawa K、Bae S、Kim B、Razuvaev G、Iinuma H、Ishida K、Saito N
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 874 ページ: 012055～012055
  • DOI: 10.1088/1742-6596/874/1/012055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] J-PARCにおけるミューオンg-2/EDM精密測定実験用ミューオンリニアックの高ベータセクション (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤恭弘、長谷川和男、大谷将士、三部勉、吉田光宏、北村遼
  • 雑誌名: 第14回日本加速器学会プロシーディングス 巻: - ページ: 印刷中
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] J-PARCでのRFQによるミューオン加速に向けた準備状況と展望 (2017)
  • 著者名/発表者名: 北村 遼，大谷 将士，近藤 恭弘，Bae Sunghan，Choi Seonho，深尾 祥紀，二ツ川 健太，長谷川 和男，飯沼 裕美，石田 勝彦，河村 成肇，Kim Bongho，三部 勉，三宅 康博，森下 卓俊，Razuvaev Gosha，齊藤 直人，下村 浩一郎，Strasser Patrick
  • 雑誌名: 第14回日本加速器学会プロシーディングス 巻: - ページ: 印刷中
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Re-acceleration of Ultra Cold Muon in J-PARC muon facility (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kondo
  • 学会等名: 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC18)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 遂に実現したミューオン RF 加速の展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大谷将士
  • 学会等名: 日本物理学会会第 73 回年次大会
• [学会発表] RFQによる世界初のミューオン加速の実現 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大谷将士
  • 学会等名: 第4回IFMIF研究会
• [学会発表] RFQ を用いたミューオン加速の準備状況 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大谷将士
  • 学会等名: 日本物理学会 2017 年秋季大会