| 研究課題/領域番号 |
21K13950
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | ミューオン / イオン源 |
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| 研究実績の概要 |
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4年度は、負水素イオン源の電子閉じ込め磁場を計算するための計算コード群を改良して、イオナイザーからのビーム引き出し電極系の設計に取り組んだ。昨年度に準備した粒子反応計算ツールであるGeant4と別に、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コード開発を進めた。
令和4年度の実績として、電子閉じ込めにJ-PARCイオン源と同様の永久磁石によるマルチカスプ磁場配位を作った条件下で、ミュオンをプラズマから引き出せることを計算コード上で確認した。令和5年度のイオナイザー試作機製作に向けて制御電源の手配を進めると共に、継続してイオナイザー電極系の最適化と試作機製作を進める。
また、Mu-Mubar転換過程の探索実験における実験感度評価について、共同研究者らとオンラインでの打ち合わせによる議論を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
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。
当初計画では、Geant4をベースとした計算ツールの開発を目指したが、準定常状態のプラズマにおけるミュオンの挙動を計算するために、当初の計画には無かった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開発を進めることとした。閉じ込めた電子によってプラズマが存在する条件下でのミュオン引き出し系の計算にて、閉じ込め磁石と引き出し電極配置の最適化を行っている。
現段階では、J-PARCイオン源の構成をベースとした設計で一定の引き出し効率が得られる見通しであるため、令和5年度でシミュレーション検討に基づく試作機を製作してオフライン試験を実施する予定である。
そのため、現在までの進捗状況は計画よりやや遅れていると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和4年度では、イオン源研究者の助言と協力の下で、ミュオン輸送計算のシミュレーション開発に一定の見通しが経ちつつある。そのため、令和5年度には閉じ込め磁石や電極配置の最適化に一定の目処をつけて、専門家の助言を仰ぎながら試作機の製作へと移行する。イオナイザーの特性や問題点の抽出に向けて、試作機のオフライン試験を行う実験室等の調整を共同研究者と進めている。
包括的にイオン解離過程を理解するためには、試作機から得られた実験データと数値計算結果の定量的な比較が重要である。そのため、試作機のオフライン試験では、水素ガスを用いたプラズマ発生を始めとする具体的な試験手順の検討を開始している。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。
また、イオナイザーを用いた場合における、Mu-Mubar転換過程の探索実験における実験感度評価について、共同研究者らとも継続した議論を進める。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和４年度に予定してたイオナイザーの閉じ込め用コイルや引き出し電極付き真空容器の設計に時間を要しており、電極を含む真空容器製作のための費用を次年度使用額として繰り越した。電極と電子閉じ込め磁場用磁石の配置構成は本研究の核心部であるため、定量的な検討結果を丁寧に確認した上で試験機製作を進めるべきとのイオン源研究者の助言を受けた上で、詳細な検討を継続している。令和４年度までの研究で設計方針がある程度固まってきたが、機器製作の納期を鑑み、製作は令和5年度に実施する予定である。次年度使用額は令和５年度分研究費と合わせて、真空容器を含むイオナイザー試作機の製作に使用する予定である。試作機の製作を遅滞なく進めると同時に、オフライン試験におけるイオナイザー性能表評価の手順などについて具体的な検討の議論を継続している。オフライン試験における実験環境の整備においても共同研究者と調整を進めており、円滑に試験できるよう調整を進めている。
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