ミューオンg-2/EDM精密測定用の貯蔵リング磁石設計

内容
1. g-2実験紹介
2. 貯蔵リング概要
•
•
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
ビーム入射
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）
• 外乱磁場見積もりのための準備
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・・・・

B
 
 磁場の強さに比例,

 gqB  qB qB
 ミューオン運動量に依存しない。 
as 
a1c 
s 
a 

例： Ta (= 2/a)=2.2[s] with

qm
B m
2m
cg  2  qB
B=3[T]
2


a
m 

2 m m

a
me 
Weak
NewPhys
 


NewPhys
e
  ap1.79
aDirac0, ae0.001, a 0.001,

a a
a
 a
Exp-SM
11
a 
 255634910  3.2
標準理論予言
値との比較
SM

QED

QCD

http://pdg.lbl.gov/2009/reviews/rpp2009-rev-g-2-muon-anom-mag-moment.pdf
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
2
New g-2/EDM experiment at J-PARC
a 
a
 0.54ppm  0.1ppm
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。
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
3
新実験のキモ4つ
 
a  EDM
ミューオニウム生成機構
 廣田誠子 23pBS-3

 
 E  2c


 
 1
q 
E
 S  c  
a  B   2  a       EDM   B  
m 
c
  1
 c  



1. 貯蔵リング収束電場E=ゼロ
2. PT/pL ~ 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)
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
4
貯蔵リング磁石
貯蔵磁場(3 Tesla) およびビームキッカー
磁場測定
• 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
NMRプローブ 0.1ppm
field region”で止めるためのキッカー,
•• ”good
ホール素子
10ppm
field region”のローカル均一度B/B
< 1ppm,
• ビーム軌道に沿った平均磁場均一度
スキャン時のプローブの位置制御 <B/B> <0.1 ppm ,
磁場外乱要因(温度
& 振動)
• 残留電場 E < 10mV/m.
測定結果のフィードバック
小さい領域に盛りだくさん
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
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
1m
5
どうやってビーム入射するか？
60 mrad
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)
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 .
2010/3/21
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動径方向
キック磁場
OPERA
3-D -3D
OPERA
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ビーム軌道沿いの磁場形状
y軸成分(By ) と動径成分(BR)

By

BR
+

F

B R +
By
BR < 0.1 tesla
2010/3/21
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フリンジフィールドの
ビームアクセプタンス
y
y>0
y<0
Solenoid
axis
>0
<0
y軸
xz面
2010/3/21

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。
KEK Hiromi Iinuma
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“good field region”
完全均一磁場 vs. 弱い収束磁場 ?
R  By
n
B0 y  r
PT
 1E  5
PL
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。
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弱収束条件
B0 y
r

B y  B 0 y 1  n  , B R   n
y
R
R

By
B0 y
 0.1ppm, r  1mm
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？
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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年7月(pre-)Conceptual Design Report に盛り込む。
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
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磁場測定システム R&D
放医研分子イメージングセンターの協力
 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。
4月より 3 tesla MRIを借用
• プローブ自体は既製品で高精度
ホール素子独立 3-軸チャンネル
達成している。
Range: 0～3tesla、
• R&D項目は：
3レンジタイプ 3mT, 30mT,
300mT, 3T
10ppm
• プローブ位置、姿勢の制御
• システム自体の磁場外乱の見
NMR プローブ
Range 2.6～3.4 tesla 積もり・補正
1ppm for R&D用 • 絶対値補正の方法は？
<0.1ppm for 本実験用
2010/3/21
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J-PRAC MLF床面
3軸独立加速度計
振動測定
C
傾斜計
鋭意解析中
B
A
A～B の距離2m
間の相関を見る
2010/3/21
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A
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
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backup
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
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３．どのような系統誤差があるか？
項目
予想される原因
見積もり方法
(目標程度）
B制御
磁石温度による素材伸縮 (~0.1K)
(補正電地盤振動、冷凍機による振動(~0.5mm)
流制御)
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
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）
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
見積もり方法
a制御
残留電場の影響(10 mV/m )
a測定
アクセプタンス変動（検出器設置精度、 GEANT4計算
ビーム軌道安定性、ビーム横方向広が
（周期的時間依存性がなけ
り）
れば、a中心値には関係な
い。a測定精度が悪くな
ゲイン変動や、デッドタイムのイベン
る。）
トレート依存性、チャンネル位置依存
(目標程度）
性、
低エネルギー陽電子との分離、等
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
実測、OPERA静電場計算
現在取組中です。
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どうやって a を測っていたか?
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。


   E

 
  E  2c
q    1
a  c  S  
a  B   2  a       EDM   B  
m 
c
  1
 c  


E821@BNL
 magic  29.3
150 (g-2) Cycles in Positron Time Spectrum!

EDM=0
PRD73, 072003
(2006)
a  Ta=4.4sec
 0.54ppm  0.46stat.  0.28syst. ppm
a
e+

B
 0.17ppm, a  0.21ppm
B
a
• 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！
B=1.45 Tesla、直径14m、1周45m
• 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
> 1.8yoke
GeVpieces
カロリメータ
12Emagnet
e+ をかけていた。
2010/3/21
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Kicker ver.0 model
Helmholtz type
Br(t)=Bpeak
sin(t)
Example case:
Kicker angle 0.2
degree 3.5mrad
OPERA
Peak field 1.3 Gauss is needed to
stop
within 20turns
(20nsec).
2010/3/21
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Helmholt
z 80A,
3.5kV
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Kicker ver.0 model
pitch angle (mrad)
3.5
80A
1.0
5
10
15
20
turns
By
axis
pitch
angle
XZ plane
2010/3/21
KEK Hiromi Iinuma
Example case: Kicker
angle 0.2 degree 3.5mrad
Vertical velocity becomes
zero after 20turn、
(vertical motion is 7cm)
Br(t)
17
Y
(cm)30
30
Coil
2010/3/21
0
OPERA 3-D
30
x
(cm)
30
KEK Hiromi Iinuma
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