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これまでの研究内容と着任後の抱負
• 研究内容
– 学位論文研究
• 加速器に興味を持った理由と
今後の抱負
– 3次元螺旋軌道入射
素粒子原子核研究所
2004年3月
博士研究員飯沼裕美
1
学位論文研究：RHIC 絶対ビーム偏極度計
目的1：陽子ビームの偏極度を測定する
核子のスピン構造研究の目玉の一例：Gluon 偏極度測定
1  N   N  


G  A LL 
2
Pbeam  N    N   
偏極度計が測定
PHENIXやSTARが測定


進行方向と平行・反平行に偏極
（縦偏極）
Pbeam Pbeam  5%
しかし、従来の偏極度計は高速計測可能だが、測定中心値がゲタを含み、
絶対値補正が必要！
2
どうやって偏極度を測定するか？
偏極陽子陽子弾性散乱が最適
前方散乱陽子
陽子ビーム
水素標的
運動量移行 t  pin  pout   0
スピン状態に依存した反応の幾何構造
の左右非対称性ANを定義する。
 標的 t 
ビーム t 

A N t   
Pビーム
P標的
Pビーム
2
反跳陽子
ビーム
ビーム

 P標的
AN
 標的
 i / i0 (i=beam 又は target) ならば、 P
P標的
ビーム

 2%
標的の偏極度の精度と同精度でビーム
Pビーム
P標的
偏極度を測定できる。
 高性能偏極水素ガス標的生成に成功  反跳陽子測定可能、
 -t ～0.001(GeV/c)2 運動エネルギー0.6MeV まで計測、
 弾性散乱イベント同定精度 < 3%を達成した。 
P標的
私が
取り組んだ。
i
i

P標的
3
学位論文研究：RHIC 絶対ビーム偏極度計
目的2： ANの原理を詳細理解する
AN  A
QED
N
電磁気力
A
QCD
N
核力？
1. スピン依存する電磁気成分ANQED は、陽子の異常磁気モーメント
の寄与により運動量移行 -t 310-3 (GeV/c)2で極大になる。
（電磁気力核力になるエネルギー領域）
2. しかし、QCD摂動計算
不可＋実験技術の制
限から良く理解されて
いないので、実験的に
解明する。
私の物理的動機
E704, FNAL s=19.7 GeV
Phys. Rev. D 48, 3026 (1993)
A
QED
N
AQCD
?
N
4
RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in
Brookhaven National Laboratory
1周 3.83 km
米国
5
絶対ビーム偏極度計
スネーク磁石
スネーク磁石
スピンローテーター
偏極陽子
ビーム源
スネーク磁石
横偏極
• 偏極陽子ビーム
• 加速・周回中は横偏極 (バンチ毎に任意のspinパターン ……)、
• ビーム加速に伴い、減偏極共鳴ポイントを何度も通過、
• 減偏極を防ぐためにスネーク磁石を設置しているが・・・
偏極度計は偏極ビーム加速器の必須装置！
6
偏極水素
標的
偏極水素ガスジェット
標的システム
左右フランジに取り付けたシリコ
•ン検出器で反跳陽子を検出する。
高さ：3.5 m
• 重さ：3トン
• ガス標的速度 156060 m/sec
• ガス標的サイズ
~ 2.9mm
(RHICビームサイズ  ~1mm)
反跳陽子
RHIC 陽子
ビーム
• RHICビームとの位置合わせを
するために装置全体を 10 mm
調整可能。
反跳陽子
•
厚さ約400m
•
有効表面積 60mm 64 mm
•
7
1チャンネル4mm幅  5mrad
反跳陽子検出器（シリコン検出器）；私の担当
衝突点から左右約80cmのところ
にシリコン検出器を設置
角度とエネルギーと時間を計測
R 大  TR 大  ToF小
（検出器の時間分解能2.3ナノ秒）
T
前方散乱粒子が
R & ToF 相関
陽子の場合のTR
&3ナノ秒
R 相関線
バンチ長
1.5ナノ秒
R
ガス標的なので、
反跳陽子の検出
が可能になった。



Ch#1-16
 線源
エネルギー校正
241Am(5.486 MeV)
反跳陽子
突き抜け
#16
Ch#1
Ch#  R
ビームハロー
Deposit energy MeV
2相関 (TR & ToF ) 、 (TR & R ) を利用して、反跳陽子、前方散乱陽子を同定。
シリコン検出器の不感層厚さ、感応層の厚さを実験データから見積もり、計測し
たエネルギーから運動エネルギーTRを算出する: TR=0.07MeV
バックグランド成分を解析し、系統誤差を統計誤差程度まで追いこんだ。 8
2004年AN測定結果
 標的
QED
QCD
AN 
 AN  AN
P標的
•
主要項：陽子の異常
磁気モーメント起源
PLB 638 (2006), 450-454
PRD 79 094014 (2009)
QCD記述不可能
• 複素数パラメータ r5
3.9 M events
Pビーム
 P標的
100GeVビーム
AN のピーク形状が明白

 標的
24GeVビーム
ビーム0.8 M events
Pbeam
2008年実験
 8.5% (2004)
3週間
まで担当
Pbeam
スピン依存する核力の
QED
A
s依存性を示唆。
N
現在も安定稼働し、目標精度5％を達成。
核子スピン構造研究に貢献。
 エネルギー校正を頑張った成果： TR=0.07MeVt=1E-4 (GeV/c)2
 BG解析を頑張った成果：系統誤差統計誤差弾性散乱同定精度＜3％ 9
偏極度計の成果と私が得たもの
1. 加速器の必須構成要素の偏極度計に一貫して取り組んだ
• シリコン検出器の読み出しエレクトロニクスの改良、等。
• 実用化に向けてコミッショニング、実験中の保守、加速器オペレータ用
解析ツールのパッケージ化
• 目標精度 < 5% を達成した
• ストア毎の精度10％の偏極度測定、加速器へのフィードバック可能
2. 偏極度計の原理となる物理量AN の高精度測定
 全断面積、微分断面積と同様の基本物理量の詳細理解
 核力のスピン依存性研究に貢献、
 物理結果を博士論文、2本の投稿論文にまとめた。
（日米で二つの賞を取った。）
3. ビームを「提供する側」と「使う側」の両方の視点を持てた
もっと、ビーム生成・制御にダイレクトに取り組み、
10
世界一の高品質ビームを作りたい。
今後の抱負
加速器物理屋としてのKEK加速器への貢献
1. KEKBのダンピングリングの入出射器の設計・開発・建設、性能
向上に興味がある。
2. 現在取り組んでいる、特殊な入射方法の概念設計作業と類似
性があると思う。
 キッカケは新g-2実験の立ち上げ・貯蔵リング磁石の概念設
計だが、物足りず、加速器建設そのものに興味を持った。
 機構が推進する現行プロジェクトのビームラインに取り組み、
現実のビームを扱いたい。
次に、加速器物理に取り組みたいと思った理由と、
現在取り組んでいる、ビーム入射を紹介します。
11
ビーム品質とミューオンの歳差運動 (g-2)測定精度の関係

 
S
2
Ta 
a

B
B
14m

 B qB qB

gq
s   c   1   
   
a 2m m
s   mc
米国BNL E821実験
ビームパイプ直径9cm（3次ビーム 42mm- mrad）
貯蔵磁場1.45 テスラ平均磁場精度B=0.17ppm
1. 磁場と垂直方向の
スピンは回転する
2. 電荷を持っているの
でサイクロトロン運
動をする。
3. スピン歳差運動する。

g2 q 
a  
B

 2  m
サブppmの精度で
標準理論と比較
貯蔵リング内のビーム及びスピンをこれほど精密に制御でき
るのかと驚嘆し、これを越えるビームを作りたいと思った。
12
3 GeV陽子ビーム
( 333 uA)
ミューオンビーム再加速
2.3 keV/cから300MeV/c (=3)
小型リング
に貯蔵
1. ビーム品質を抜本的に改善、超ストレート（極冷）ビームを作る。
• ミューオン源を新規開発、ミューオンビームを加速する、
• 貯蔵用収束電場を必要としないビーム制御を目指す、
2. 一体型磁石による小型貯蔵リングにして磁場精度を更に上げる。
13
直径0.66 m、 B=3 テスラ精度 < 0.1ppm
66cm
どうやってビーム入射するか？
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
•
１ターン以内に水平キック(~ 60 mrad)
3次元スパイラル入射

F
+

BR
適切な動径方向磁
場で垂直運動量を
水平方向に変える
メイン磁場に加え、弱収束磁場
でビーム軌道制御する
2次元軌道
貯蔵リング平面
垂直方向
キック
貯蔵リング平面

B
14
貯蔵リング磁石概念設計
•
•
•
1.ソレノイド磁石をベースにした。
ビーム周回軌道上の磁場
周回軌道の均一度を出すために大きくなった。
3テスラ精度<0.1ppm
KEKの入射の専門家と超電導磁石企業の専
2.門家と2年がかりで取り組む。
3次元スパイラル軌道に適した
フリンジフィールド
+
ビーム入射
用トンネル
天板ヨーク（鉄）
円筒形リターン
ヨーク（鉄）
適切な動径磁場
の解法を開発
1.8m
ポールチップ
（鉄）
超電導メイン
コイル内径
1.6m
OPERA
上下対称
4.6m
15
OPERA+GEANT4
シミュレーション
ビームのソレノイド軸方向運動の制御
解析的アプローチ＋数値シミュレーション
動径静磁場（メインコイル）
トンネル出口入射角度 0.43rad
 5mrad程度まで偏向する
OPERA
垂直キッカー（独立コイル）
ヘルムホルツコイルタイプ等
Br(t)=Bpeak sin(t) 半周期150ナノ秒
ニュートリノ
+崩壊
Br(t)
入射角度5mrad  5rad未満まで
（キック精度0.1%程度を想定）
キッカーと
弱収束磁場を
与える。
弱収束静磁場
B0 y
r

By  B0 y 1  n  , BR  n
y
±10cm
R
R

By
 0.1ppm を満足、n=3E-5
B0 y
サイクロトロン周期 7ナノ秒
回転軌道直径66cm
垂直キッカーコイル
ソレノイド軸方向の軌道の振動 < 2cm
16
着任後の抱負
 ビーム入射方法、貯蔵リング内での制御方法を考えるうちに、
概念設計だけでは物足りず、自分で装置を作りたくなった。
 機構が推進する現行プロジェクトのビームラインに取り組み、
現実のビームを扱いたいと思った。
• SuperKEKBのダンピングリングの入出射に興味あり。
• キッカー装置の設計・製作・試験・運用・・・・
 未知の問題事項に取り掛かる切り口を自ら切り開き、目的達
成に必要な技術を、己の経験・経歴に関係なく新たに学び取
る柔軟性がある。
•
•
•
3次元螺旋軌道の設計、OPERA習得
電磁場中のスピン運動解析用にGEANT4を改良し、標準関数化
シリコン検出器の運用、偏極度計解析プログラムをゼロから構築
•
GPS電波瞬断対策、
どんな難しいテーマでも必ず研究成果を出す底力がある
17
Backup
18
Field inside beam
tunnel
Tunnel fro
inside
Inside
tunnel
Outsid
e
OPERA 3D
2015/9/30
Straight tunnel
does work!
Hiromi Iinuma
19
Kicker circuit and eddy current study
R=60cm
cryostat wall
Start DAQ
2015/9/30
Hiromi Iinuma
20
Ver.1 type Kick field
@r=33.3cm
Peak field reduction by cryo. wall
0.967
0.878
0.649
Minimum
distance?
Eddy currents on
cryostat wall
Br(t)=Bpeak sin(t)
round_d-12_tr
round_d-12_wall2015/9/30
1,2,3_tr
Hiromi Iinuma
mgaus
s
21
今取り組んでいる事
“ビーム“入射条件見積もり
+
ビーム入射の実
証試験をどう
やって行うか？
Start
y>0
ySolenoid
axis
y<0
y<0
y>0
どうやってソレノイド軸方向の
ビーム運動を制御するか？
振動や製作
誤差による誤
差磁場は？
どうやって磁場測定をする？
どうやって磁場を制御する？
22
電気双極子(EDM)って何？
ミューオンが水分子
みたいに分極？
+++
++++
Electric
Dipole
Moment


光速で走るミューオンは磁場
を電場と感じる（特殊相対論）

 

2c
EDM 
EDM   B

基本粒子のはずのミューオン
に内部構造がある！？
標準模型ではありえないこと。
ノーベル賞級の
世紀の大発見！

電場をかけれ
ば分かるはず。

電場！
もしもEDMがあるならば、歳差運動は、g-2から
の寄与と、EDMからの寄与の2成分になる。


 
 2c
 

e
  a  EDM 
aB 
EDM   B
m

両方同時に精密
最新実験の上限値 ~ 1e-19 e.cm(2006年論文) 測定に挑戦！
 新実験目標 <1e-20 e.cm
23
どうやってaとEDMを分離するか？
example
 

EDM    B
動径方向電場に対
する陽電子の放出
角度の時間変動に
現れる。
EDM測定のキモは、
ミューオンビーム軌道
制御！！
24
どうやって物理結果を得るか？
シリコン検
出器で測る
NMRで測る


e
a 
a B
m
g-2物理結果が出る
シリコン検出器
で測る
NMRで測る

 

2c
EDM 
EDM   B


EDM物理結果が出る
1. 高精度な磁場制御/測定とビームの品質が全てを決める実験です。
2. 高品質ビームを得る為に、J-PARCで新たなミューオンビーム源を開発中です。
3. 高品質磁場の為に、貯蔵リングサイズを従来実験の直径14mから、直径
0.7mにコンパクト化し、MRI技術を利用し、一桁上の精度を目指します。
4. 高品質ビームを、コンパクトな貯蔵リングへ入射するために、フリンジ磁場を
制御し、積極的に利用しようと試みています。
25
Muon Anomalous Magnetic Moment
a


 
S   2 Spin ½ Dirac
B
particle

e 
S
magnetic dipole moment  g
2m
gyromagnetic ratio g=2
Muon magnetic dipole moment

e 



 ...S
2 
2m 


g  2 
a

 .....

1
 g   2  
2
2015/9/30
l
l
“anomalous”
part
Precisely
calculated by
0.001 the SM theory
26
K. Hagiwara et al., PLB 649 (2007) 173-179
QED
Theoretical
calculation
aSM =
11659180.4  5.1
-10
10
11658471.8  0.0
Dominant uncertainty
T.Kinoshita, M.Nio
Weak
QCD
693.2 
K.Hagiwara
D. Nomura 5.1
2015/9/30
Dominant component~99%
(ee ~73%)
Recent ee experimental data
made big contributions (BaBar,
KLOE….)
15.4 
0.2
27
AN, ANNとヘリシティー振幅
pp弾性散乱は、反応前後のスピン状態、時間と空間の対称性および同一粒子で
あることを考慮すると、５通りのヘリシティー振幅で記述できる。
1
ノンフリップ
   | M |      | M |    実験結果豊富・Regge理
論でよく説明される。
2
2 s, t     | M |  
-t 0 でゼロになる全断面積(-t =0)
ダブルフリップ
8
4 s, t     | M |  
 tot 
Im 
 s, t  
5 s, t     | M |  


Pomeron?
s s  4m 2p
シングルフリップ
had
d 4 
 2 |   |2
微分断面積
N
dt
s
電磁気力＋核力
モデルいろいろ。
em* had
had* em
A
QED
N
A
d  4
AN
 2 Im 5    5  
dt
s

A NN

d
4
 2 2 5had
dt
s
2
 Re  
*


had
2

0 ?
Odderon?28
H = p+ + e-
|1> |2> |3> |4> 超微細構造
偏極水素ガスジェット標的システム
解離器
六極磁石
|1>
P+ OR
|1> |4>
|2>
P-
|2> |3>
偏極水素原
子標的製造
装置
高周電磁波
遷移装置
(WFT, SFT)
標的偏極度
保持磁石
散乱槽
標的偏極度
測定装置
|1> |2>
2010/3/21
イオンゲージ
六極磁石
Hiromi Iinuma
イオンゲージ
校正用 2nd
高周電磁波
遷移装置
29
標的のサイズ、厚み
• 衝突点での標的サイズ
FWHM = 6.9 mm
標的サイズ測定
RHIC-beam と反跳
陽子検出器を使用
• 反跳陽子の角度分解能
  5 mrad を保証。
• 2.0 mm diameter
compression tubeを用いた
測定結果とも一致。
• ビームから見た標的の厚み
(1.3  0.2 )1012 atoms/cm2
• ガス標的速度 156060 m/sec
• ガス標的強度
(12.40.2)1016atoms/sec
設計値を達成。



RHIC ビーム位置を固定 (直径  ~1mm).
システム全体を1.5 mm ステップで動かす。
弾性散乱事象数の位置分布より、標的形
30
状を算出する。
シリコン検出器の
有効厚を算出
Gd
Am
陽子、α粒子のシリコン中
の阻止能 (dE/dx) を用い
て、シリコン検出器の“有
効感応厚“を算出する。
ビーム起源
2010/3/21
有効感応厚: 400  5 m
不感応厚 : 2  0.06 m
Hiromi Iinuma
31

エネルギー校正 (Deposit energy  運動エネルギーTR)が大変だった。
•
シリコン表面の不感応層の厚さ、感応層の厚さをDeposit energy
32
スペクトルから見積もった。
バックグランド見積もり
s=6.8 GeV
pp弾性散乱イベントの他に・・・
• 非弾性散乱イベント
• pp  (p+) p 等、
寄与は無視しうる
• 校正用α線源のテイル
• ビーム起源
s=13.7 GeV
バックグランド補正
2~3 %程度
2010/3/21
Hiromi Iinuma
33

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