KEK 素核研 飯沼裕美 加速器研究施設＋ 超電導低温工学セン ター 超電導低温工学セン ター 内容 内容 1. g-2 実験紹介 2. 貯蔵リング概要 ビーム入射 ビーム入射 貯蔵リング磁場形状 貯蔵リング磁場形状 3. 今後の課題と R&D 項目 磁場測定システム（ NMR+ ホール素 子） 磁場測定システム（

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1 KEK 素核研 飯沼裕美 加速器研究施設＋ 超電導低温工学セン ター 超電導低温工学セン ター 内容 内容 1. g-2 実験紹介 2. 貯蔵リング概要 ビーム入射 ビーム入射 貯蔵リング磁場形状 貯蔵リング磁場形状 3. 今後の課題と R&D 項目 磁場測定システム（ NMR+ ホール素 子） 磁場測定システム（ NMR+ ホール素 子） 外乱磁場見積もりのための準備 外乱磁場見積もりのための準備

2 What and Why a  =(g-2)/2 ? 均一磁場 B の中のミューオンの スピン歳差運動周期  a を測る と・・・・ 磁場の強さに比例, ミューオン運動量に依存しな い。 例： T a (= 2  /  a )=2.2[  s] with B=3[T] a Dirac  0, a e  0.001, a   0.001, a p  1.79 22010/3/21 標準理論予言 値との比較 http://pdg.lbl.gov/2009/reviews/rpp2009-rev-g-2-muon-anom-mag-moment.pdf KEK Hiromi Iinuma

3 New g-2/EDM experiment at J-PARC 3 2009 年 12 月プロポーザルを J-PARC PAC に提出。 強いサポート意見＋多くの宿題を得る。 2010 年 7 月 (pre-)Conceptual Design Report 提出を目指す。 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma

4 1. 貯蔵リング収束電場 E= ゼロ 2.P T /p L ~ 10 -5 程度の超ストレートビーム 室温標的からのミューオニウムをレーザー乖離して 300MeV/c まで加速   =3 (   =0.92), 3. 高強度・高均一度のコンパクト貯蔵リング磁場 3 tesla (R=33.3cm), 1ppm local  MRI 技術応用！ 非常に弱い (<0.1ppm) 収束磁場オプションも検討 4. コンパクト貯蔵リング内側に更にコンパクトな崩壊電子検 出器 E>175MeV 崩壊陽電子検出 高いイベントレート 1MHz (rate/Si-strip, 入射直後 ) 新実験のキモ 4 つ 4 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma ミューオニウム生成機 構 廣田誠子 23pBS-3

5 1m 崩壊陽電子検出器 Tracking of low energy e+ (~200 MeV) Reconstruct trajectory and find decay point  Monitor (average)  -beam behavior 小さい領域に盛りだくさ ん 貯蔵リング磁石 貯蔵磁場 (3 Tesla) および ビームキッカー 安定入射のための適切なフリンジフィールドデザイ ン, ビームを ”good field region” で止めるためのキッカー, ”good field region” のローカル均一度  B/B <0.1 ppm, 残留電場  E < 10mV/m. 磁場測定 NMR プローブ 0.1ppm ホール素子 10ppm スキャン時のプローブの位置制 御 磁場外乱要因 ( 温度 & 振動 ) 測定結果のフィードバック 2010/3/215KEK Hiromi Iinuma

6 どうやってビーム入射するか？ 6 新しい入射スキームの開発： ソレノイド磁石のフリン ジフィールドを利用し、 斜め上からスパイラル入 射 動径方向磁場がビームの 向きを水平方向へ誘導 垂直キック ~10mrad サイン関数形パルス 20 ターンで止めるには、 ピーク磁場 1.3 Gauss 程度必要. コンパクト強磁場リングへの水平入射は技術的に難し い : 3[T] 磁石のフリンジフィールドをキャンセル 水平キック (~ 60 mrad) 60 mrad OPERA 3-D OPERA -3D 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma 動径方向 キック磁場

7 ビーム軌道沿いの磁場形状 y 軸成分 (B y ) と 動径成分 (B R ) 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma7 ++ ++ B R < 0.1 tesla ByBy

8 フリンジフィールド のビームアクセプタ ンス 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma8  y軸y軸 xz 面  >0 y Solenoid axis  y>0  <0  y<0 中心軌道 (0,0) から  y=  1.5cm,  =  0.015mrad の範囲でランダムに入射条件を振った。

9 “good field region” 完全均一磁場 vs. 弱い収束磁場 ? A)33  秒後、ビームは y 軸方向に  y=10cm 広がる。 B) 陽電子検出器の Y 軸方向に十 分なアクセプタンスを持たせ る。 C) データ取得の最初と最後で検 出器の違う部分で検出するこ とになる。 D) 時間リニアリティー ppb レベ ルを達成できるか？ E) そもそも、ビームダイナミク スとして大丈夫？ n=0 だし。  弱収束条件 を満足するようにすると、 n=3E-5 を 得る。 (A ～ E) を解決できそう。  y=10cm  1cm 未満 Spin も大丈夫そう・・・ by GEANT4 独立にクロスチェック必要。 磁場測定が大変か？ 2010/3/219KEK Hiromi Iinuma

10 今後の課題と R&D 項目 1. 貯蔵リング磁石の具体設計（ MRI 専門企業の協力）： 安定入射のためのビーム条件の詳細を詰め中、 磁石外側から、周回軌道までのビーム軌道・スピン解 析中、 リターンヨークの穴あけモデル取組中、 キッカー磁場及び 弱収束磁場の具体設計とスピンが受 ける影響を算出 （これから。 BNL Spin tracking 専門家と 協力）、 加速器出口～貯蔵リング入射ポイントまでのビームラ イン設計 （これから）。 2. 磁場測定システム R&D ： 試作機が 3 月末に仕上がる。 4 月より試験開始！ 貯蔵リングの環境に伴う外乱磁場の見積もり（地面振動、 など）。 2010/3/2110KEK Hiromi Iinuma 2010 年 7 月 (pre-)Conceptual Design Report に盛り込む。

11 プローブ駆動システム作成中。 4 月より測定試験開始予定。 磁場測定システム R&D 11 ホール素子 独立 3- 軸チャンネル Range: 0 ～ 3tesla 、 3 レンジタイプ 3mT, 30mT, 300mT, 3T 10ppm NMR プローブ Range 2.6 ～ 3.4 tesla  1ppm for R&D 用 <0.1ppm for 本実験用 4 月より 3 tesla MRI を借用 4 月より 3 tesla MRI を借用 放医研 分子イメージングセンターの協力 プローブ自体は既製品で高精 度達成している。 R&D 項目は： プローブ位置、姿勢の制御 システム自体の磁場外乱の 見積もり・補正 絶対値補正の方法は？ 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma

12 A C A ～ B の距離 2m 間の相関を見る A B A: 3 軸独立加速度計 + 1 軸加速度計（垂直） + 傾斜計 B: 3 軸独立加速度計 C: 傾斜計 2010/3/2112KEK Hiromi Iinuma J-PRAC MLF 床面 振動測定 3 軸独立加速度計 傾斜計 鋭意解析中

13 backup 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma13

14 ３．どのような系統誤差があるか？ 14 項目予想される原因 ( 目標程度）見積もり方法 B 制御 ( 補正電 流制御 ) 磁石温度による素材伸縮 (~0.1K) 実測する、 過去データ参照する、 OPERA 静磁場計算 （試験磁石に検出器をセッ トして NMR 測定する） 地盤振動、冷凍機による振動 (~0.5mm) 超電導コイル歪み、設置精度 (~0.5mm) 検出器・磁場測定プローブなどの外乱 B 測定 NMR プローブ駆動精度 (~1mm) 実測 ( 医療用 MRI 借用 ) 項目予想される要因 ( 目標程度）見積もり方法  a 制御残留電場の影響 (10 mV/m ) 実測、 OPERA 静電場計算  a 測定アクセプタンス変動（検出器設置精度、 ビーム軌道安定性、ビーム横方向広が り） GEANT4 計算 （周期的時間依存性がなけ れば、  a 中心値には関係な い。  a 測定精度が悪くな る。） ゲイン変動や、デッドタイムのイベン トレート依存性、チャンネル位置依存 性、 低エネルギー陽電子との分離、等 現在取組中です。 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma

15 B=1.45 Tesla 、直径 14m 、 1 周 45m 12 magnet yoke pieces 15 EDM=0 E821@BNL ミューオンのスピン歳差運動周期  a と磁場 B から a  を求め る。 どうやって a  を測っていたか ? e+e+ T a =4.4  sec 150 (g-2) Cycles in Positron Time Spectrum! PRD73, 072003 (2006) E e+ > 1.8 GeV カロリメー タ 更に改善するには、小さい貯蔵リング、高純 度・超ストレートミューオンビームが良い！ 実は完全魔法運動量のビームではなく、 a  測 定値に 0.8ppm 程度の補正 をかけていた。 2010/3/21KEK Hiromi Iinuma

16 Kicker ver.0 model Helmholt z Example case: Kicker angle 0.2 degree 3.5mrad Peak field 1.3 Gauss is needed to stop within 20turns (20nsec). 80A, 3.5kV Helmholtz type Br(t)=B peak  sin(  t) 2010/3/2116KEK Hiromi Iinuma OPERA

17 Kicker ver.0 model Example case: Kicker angle 0.2 degree 3.5mrad Vertical velocity becomes zero after 20turn 、 (vertical motion is 7cm) pitch angle (mrad) 3.5 1.0 5 10 1520 turns B y axis XZ plane pitch angle Beam direction Br(t) 80A 2010/3/2117KEK Hiromi Iinuma

18 Y (cm) x (cm) 30  30 30 Coil OPERA 3-D 0 2010/3/2118KEK Hiromi Iinuma