24aZL-1 ★ ILC偏極陽電子源の為の レーザー蓄積空洞を用いた KEK-ATFにおける 高輝度ガンマ線生成実験 広島大学 大学院先端物質科学研究科 三好 修平 共同研究 高エネルギー加速器研究機構 広島大学A 早稲田大学 B 中国科学院高能物理研究所C 荒木 栄，浦川 順治，大森 恒彦，奥木 敏行，栗木 雅夫A，坂上 和之B， 清水 洋孝A，高橋 徹A，照沼 信浩，広瀬 立成B，舟橋 義聖，Pei GuoxiC， 本田 洋介，三好 修平A，Li XiaoPingC，鷲尾 方一B ILCが要求する偏極ビーム 国際リニアコライダー(ILC)では、 偏極電子･偏極陽電子生成が要求されている →衝突に偏極ビームを用いる事で、 特定の反応においてS/Nを上げる事が出来る。 偏極電子: 生成法が存在 偏極陽電子: 偏極ガンマ線から対生成 e偏極陽電子生成 効率良く対生成を起こすために →10MeV以上の偏極ガンマ線が必要 γ 金属標的 e+ 10MeV以上の偏極ガンマ線生成法 ●ヘリカルアンジュレーター方式 (ILC基準デザイン) ●レーザーコンプトン散乱方式 (ILCオプション) 我々はレーザーコンプトン散乱による 偏極ガンマ線生成実験を行っている レーザーコンプトン散乱による偏極ガンマ線生成 エネルギーの高い電子と 円偏光レーザーを衝突させ 偏極ガンマ線を生成 偏極陽電子生成の原理検証は済 T.Omori et al., Physical Review Letters 96, 114801(2006) 偏極ガンマ線の生成数の増加が次の課題 レーザーの観点から、偏極ガンマ線生成数を増やす ●電子と同じ時間構造のレーザーパルスの強度を上げる →モードロックレーザーを光共振器に蓄積 ●衝突点でレーザーのサイズを絞る →光共振器の球面ミラーの曲率半径を小さくする 光共振器に モードロックレーザーを蓄積して ガンマ線生成する 衝突実験セットアップ 光共振器 ～54m 15.6m後方 CsI+PMT コリメータ: アパーチャー ～0.26[mrad] 高エネルギー加速器研究機構 ATF電子ビーム エネルギー: 1.3GeV バンチ間隔: 2.8ns バンチ長: 30ps 実験時電流: 9.5mA ～30m 衝突実験セットアップ ガンマ線 16～28MeV CsI L ca 4 ＝ v PD ｍ ｍ 20 衝突角 12度 モードロック レーザー発振器 透過光強度を測定 →蓄積状態モニタ 電子ビーム モードロックレーザー 波長: 1064nm 出力: 28nJ/pulse=10W パルス間隔: 2.8ns = 電子バンチ間隔 (発振器内共振器長: 420mm) パルス幅: 7ps フィネス: 共振器球面ミラー 反射率: R=99.6% 共振の鋭さ 曲率半径: π R ρ=210.5mm F= 1−R 光共振器の 計算上の性能 F～780 σ0～30μm 使用した光共振器 ミラー･ピエゾ素子 電子ビームパイプ レーザーの蓄積 ATFにインストール した状態でレーザー蓄積 フィネス: FSR F= FWHM 実測値 →F～880 σ0～30μm 透過光強度 ピエゾ素子 制御電圧 FSR～532nm 大 光共振器長 透過光強度 FWHM～0.6nm 光共振器の性能が 設計通り出せている 光共振器長 衝突実験時のレーザー蓄積状態 - 共振器長をフィードバック制御し、蓄積状態を維持する。 ●高フィネスが未達成 → 最大 F=200 ●レーザー強度 共振器直前: 6.16W 実験時の透過光強度分布 平均F～47 → 入射光: 200mW 共振器の増大率: 入射光の F=200 F S= 倍 π → 増大率: 15倍 透過光強度[ch] 3W程度の レーザーが蓄積 特定のタイミングで ガンマ線が増加している。 エネルギー [ch] 衝突実験結果 レーザーと電子のタイミング [rad] 共振器の垂直位置 [mm] 特定の位置でガンマ線が 増加している。 レーザーコンプトン散乱により、ガンマ線が生成されている。 生成されたガンマ線の数 生成ガンマ線のエネルギー分布 0個生成 レーザーと電子の 位相と位置が合った時、 1回の衝突での 生成数の平均値は 1.08±0.12 生成数から、 光共振器に蓄積されている レーザーの強度は → 12W (フィネスから推定: 3W) 1個生成 2個生成 エネルギー [ADC ch] まとめと今後の予定 ●モードロックパルスレーザーを光共振器に蓄積でき、 光共振器の性能が設計通り出ている事が確認出来た。 ●共振器長をフィードバックする事で蓄積状態を維持し、 電子ビームと衝突させガンマ線を生成出来た。 ●実験時における共振器の設計値フィネス(～780)の達成。 ●高反射率ミラーに換装し、ガンマ線を生成する。 ★F～3000，10W入力で、1衝突当たり1000個のガンマ線 ●ガンマ線の偏極度測定を行う。 ●4枚ミラー光共振器(F～30000)を用いて、 2009年秋から偏極ガンマ線生成実験を行う。 おわり ご清聴ありがとうございました。 光共振器への蓄積 光共振器内に 定常波を作り蓄積 光共振器長 Lcav 境界条件 λ Lcav =m 2 m: 自然数 フィネス: FSR F≡ FWHM 蓄積→透過光強度が強くなる ピーク = 共振状態 λ FSR= 2 半値全幅 FWHM モードロックパルスレーザーの蓄積 連続的な周波数を持つ(≠単一周波数) パルスレーザーは蓄積不可能 モードロックパルスレーザーを使う 強度の時間変化 位相の関係を合わせた 多数の周波数モードを パルス間隔 発振させる モードロックパルス レーザー発振器 Llaser Lcav 2 Llaser c モードロックレーザーを蓄積するには Lcav =m ' L laser (m': 自然数) 使用した光共振器 球面ミラー 反射率: R=99.6% 曲率半径:ρ=210.5mm 光共振器の 計算上の性能 F～780 σ0～30μm レーザー 発振器 フィネス π R F= 1−R 透過光強度を測定 →蓄積状態のモニタリング PD 増大率: 入射光の F S= π 倍 ピエゾ素子: 電圧を印加し、 ～0.4[nm/V]で共振器長を制御 写真 写真 真空容器 電子ビーム 可動台 ～0.8[μm]の精度で 位置が調整できる 光学セットアップ フィードバックシステム 目次 ●ILCが要求する偏極ビーム ●レーザーコンプトン散乱 ●パルスレーザーの光共振器への蓄積 ●実験セットアップ ●実験結果 ●まとめ フィードバックセットアップ ガンマ線検出方法 ガンマ線検出器: 純CsI+光電子増倍管 - 共振器長をフィードバックする事で、 蓄積状態を維持する。 透過光強度分布のピーク±3σ →92.4±16.6W蓄積 - 移動架台で共振器の位置を動かし、 レーザーと電子の衝突点を探す。 透過光強度[ch] - レーザーと加速器のタイミング信号の位相差は、 固定せずに測定を行った。 偏極陽電子源生成法 偏極ガンマ線から対生成で偏極陽電子を生成 効率の良い対生成→10MeV以上のガンマ線 偏極ガンマ線の生成法は2種類 ●ヘリカルアンジュレーター方式 e- γ 金属標的 e+ 電子を螺旋運動させ 放射光として 偏極ガンマ線を生成 -電子ビームのエネルギー: -アンジュレーターの長さ: 150GeV以上 150m以上 必要 ILCの電子ビームが稼動しないと検証不可 国際リニアコライダー計画 電子源 電子 陽電子 衝突点 35km 次期電子-陽電子衝突型線形加速器 国際リニアコライダー(ILC) 重心エネルギー ～500GeVの 電子と陽電子をほぼ正面衝突させる ビッグバンと同じ様な状態を生み出し ★質量の起源であるヒッグス粒子 ★新しい物理 の発見が期待されている ILCが要求する偏極粒子 ILCでは偏極電子･偏極陽電子生成が要求されている 特定のヘリシティでのみ弱い相互作用が起こる 粒子の偏極･無偏極をコントロールする 弱い相互作用の有無をコントロールできる eL W- e+R W+ - 例: 弱い相互作用による生成粒子が バックグラウンドになる時、 偏極の操作でバックグラウンド のみ減少しS/Nが上がる。 偏極電子: 生成法が存在 偏極陽電子: 研究開発が必要 偏極陽電子源生成法 e- ･偏極ガンマ線から対生成で偏極陽電子を生成 ･効率の良い対生成→10MeV以上のガンマ線 γ レーザーコンプトン散乱で生成 金属標的 e+ エネルギーの高い電子と 円偏光レーザーを衝突させ 偏極ガンマ線を生成 -電子ビームのエネルギー1GeV程度 -偏極･無偏極の制御が容易 -偏極陽電子生成の原理検証 済 偏極ガンマ線の生成数の増加が次の課題 ILCが要求する技術 高加速勾配 低エミッタンスビーム生成 偏極電子生成 → ガリウムヒ素型フォトカソードで生成 偏極陽電子生成 → 開発中 などなど -電子･陽電子は右巻き･左巻きの状態がある 右巻き: 進行方向と同じ向きのスピンを持つ 左巻き: 進行方向と逆向きのスピンを持つ 何故偏極が必要なのか? 右巻き スピン 粒子 左巻き 進行方向 粒子 何故偏極が必要なのか? -弱い相互作用は 左巻電子･右巻陽電子にしか作用しない e-L 粒子の偏極･無偏極をコントロールする e+R 弱い相互作用の有無をコントロールできる 偏極電子だけで十分? 1/5 達成している電子の 偏極率は<100% 無偏極電子x無偏極陽電子 偏極(80%)電子x無偏極陽電子 陽電子も偏極させ 弱い相互作用の有無を制御 1/10 偏極(80%)電子x偏極(60%)陽電子 偏極ガンマ線の生成数を増やす コンプトン方式で偏極ガンマ線の生成数を増やすには レーザーに注目すると ●電子と同じ時間間隔で発振可能な(～nsecオーダー) パルスレーザーの強度を上げる →モードロックパルスレーザーを光共振器に蓄積 ●衝突点でレーザーのサイズを絞る →光共振器の球面ミラーの曲率半径を小さくすれば絞れる ガンマ線 検出器 電子ビーム モードロック 目的:光共振器にモードロック パルスレーザー 発振器 レーザー パルスレーザーを蓄積し、電子と衝 突させ偏極ガンマ線を生成する。 蓄積 光共振器への蓄積 ●モードロックレーザーを蓄積する には共振器長Lcavを Lcav =m' L laser m': 自然数 ●球面ミラーの曲率半径ρを小さくすれば、レーザーの 曲率半径ρを小さくし過ぎると 径を絞れる (Lcav=2ρ) 共振が不安定になる ●共振させる為には Lcav 2ρ 共振器の球面ミラーの曲率半径ρを 蓄積されたレーザー 球面ミラー Lcav ρ Compton Ring Scheme electron bunches stored in the ring laser pluses are stacked in the optical cavities -> 600mJ stacking 100 bunches on a same bucket in the DR -> 2.4x1010 e/bunch target 8 2.4x10 e+ capture 1.7x10 γ 10 system 1.3 GeV e- source high repetion e- source s 5n 6.1 Electron Storage Ring damping ring Optical Cavities main linac ? optical cavity, pulse staking, e- quality in ring T.Takahashi Hiroshima 34 コンプトン散乱 ILCコンプトン方式で 必要とされるレーザーパワー 592mJ コンプトン散乱 レーザーコンプトン散乱 共振モード モードの位相差 ⊿φから ウエストサイズが求まる λLcav 1−cos ⊿ φ w= 2π 1cos ⊿ φ 2 0 基本モード 基本モード 1次モード 2次 λ FSR= 2 1次モード 2次モード 衝突実験概要 ガンマ線 最大28MeV 検出器 ｍ ｍ 20 L ca 4 ＝ v 電子ビーム 衝突角 12度 レーザー 発振器 検出器 15.4m モードロックレーザー 高エネルギー加速器研究機構 波長: 1064nm ATF電子ビーム 出力: 10W エネルギー: 1.3GeV パルス間隔: 2.8ns バンチ間隔: 2.8ns (発振器内共振器長: 420mm) バンチ長: 30ps パルス幅: 7ps 共振器長と曲率 実験に要求される事柄と装置の仕様 ●モードロックレーザー発振器のスペック フィネス -波長: 1064nm (YAG-VAN) -出力: 10W π R F= -パルス間隔: 2.8ns (=ATFバンチ間隔) 1−R -パルス幅: 7ps (N～400) ●共振器の設計値とスペック モードロックレーザー蓄積 → 共振器長: Lcav=420mm 高フィネス → 共振器の球面ミラーの反射率: R=99.6% (F～780) レーザー最小サイズ:w0=60μm (2σ) → 共振器の球面ミラーの曲率半径: ρ=210.5mm FWHMより十分小さい範囲で共振器長を変化 →圧電素子で長さ制御: 0.4nm/V (FWHM～0.7nm) ●真空容器内の真空度は10-6Pa程度を要求されている 非金属を用いており真空度が下がり難い･ベークも困難 圧電素子の周波数応答 KEK-先端加速器試験装置(ATF) レーザーコンプトン散乱の電子ビーム →ATFのビームを用いる エネルギー 1.28GeV 検出器 ～15m ビームサイズ X:70μm Y:7μm エミッタンス X:10-9rad･m Y:10-11rad･m バンチ間隔 2.8ns レーザーと光学系 衝突角 12度 圧電素子でミラーの 光軸方向の位置を変化 共振器長 420mm 反射率 99.6% 透過光強度を検出 →共振のモニター Gate Trigger System (new) Trns. Light (Cavity Information) Detector Signal Divider Comparator Divider Gate Generator ADC#0 Discri. Discri. Gate Generator ADC Gate Generator Register
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