µs µ -e conv

エクスティンクション

•

バックグラウンド

• ビームπ中間子捕獲

• π^-+(A,Z)  (A,Z-1)*  γ + (A,Z-1) γ  e⁺ e

-• ビームに動機したタイミングでのみ現れる遅延計測

•

遅れて到達する陽子ビームを低減       



高純度（良エクスティンクション）ビームの必要性

エクスティンクション

•

バックグラウンド

• ビームπ中間子捕獲

• π^-+(A,Z)  (A,Z-1)*  γ + (A,Z-1) γ  e⁺ e

-• ビームに動機したタイミングでのみ現れる遅延計測

•

遅れて到達する陽子ビームを低減       



高純度（良エクスティンクション）ビームの必要性

陽子ビームに対する要請

•

前述の

µ

粒子ビームを実現するために必要な陽子ビーム

• 100nsec

バンチ幅

, ~1µsec

バンチ

-

バンチ間隔

•

反陽子からのバックグラウンドを低減するためエネルギーは

8GeV

•

測定器に対する要請からバンチ当たりの粒子数は

10

¹¹ 個以下に

•

宇宙線バックグランドが許容出来る範囲でなるべく高い繰り返し

•

エクスティンクション

•

パルス間陽子数の割合が

10

^-9以下

1.17µs (584ns x 2)

0.7 second beam spill

1.5 second accelerator cycle 100ns

N_bg = NP x R_ext x R_π-stop/P x A_π x P_RPC x P_γ-e x A

NP : total # of protons (~10²¹) R_ext : Extinction Ratio (10^-9)

R_π-stop/P : π–stop yield per proton (3.5 x 10^-7) R_RPC : Probability of γ from π (0.2)

P_γ-e : Probability of e from γ A : detector acceptance

BR=10 ^-16 , N _bg ~ 0.1  Extinction < 10 ^-9

1.4x10^-5

COMET 実験のための陽子加速

• RCS: h=2、バケツ1つは空に

• MR:h=8(9) 、バケツ4(3)つは空に

• バンチ構造を保ったまま遅い取 り出し

• 取り出し中のRF空洞をONに

• 反陽子バックグランドを低減す るため、8GeVで取り出し

• 1.6 x 10¹³ ppb, 7µA, 56kW

Linacチョッパーを使って RCSでの空バケツを実現

COMET 実験のための陽子加速

• RCS: h=2、バケツ1つは空に

• MR:h=8(9) 、バケツ4(3)つは空に

• バンチ構造を保ったまま遅い取 り出し

• 取り出し中のRF空洞をONに

• 反陽子バックグランドを低減す るため、8GeVで取り出し

• 1.6 x 10¹³ ppb, 7µA, 56kW

Linacチョッパーを使って RCSでの空バケツを実現

COMET 実験のための陽子加速

• RCS: h=2、バケツ1つは空に

• MR:h=8(9) 、バケツ4(3)つは空に

• バンチ構造を保ったまま遅い取 り出し

• 取り出し中のRF空洞をONに

• 反陽子バックグランドを低減す るため、8GeVで取り出し

• 1.6 x 10¹³ ppb, 7µA, 56kW

Linacチョッパーを使って RCSでの空バケツを実現

通常の遅い取り出し

π 中間子生成ターゲット

• ^{低エネルギーπ中間子}

• ^{低エネルギーµ粒子を停止させるため}

• 後方に放出されたものを集める

• ^π中間子の収量はビームパワーに比例

• ^{ターゲット物質候補}

• ^重金属

• ^{タングステン、金}

• ^{冷却が必要}

• ^{グラファイト}

• ^{ヘリウムガス冷却}

コイル上の入熱、線量を評価 Mars and PHITS

µ 粒子ビーム輸送

• π 中間子崩壊で生じた幅広い運動量の µ 粒子を輸送する

• 高運動量の µ 粒子をブロック

Guide π ’s until decay to µ ’s

Suppress high-p particles

•

^{µ’s : pµ} < 75 MeV/c

•

^{e’s : pe} < 100 MeV/c

Beam collimator

Beam Blocker

See “Classical Electrodynamics”, J.D.Jackson Ch.12-Sec.4

µ 粒子ビーム輸送

• π 中間子崩壊で生じた幅広い運動量の µ 粒子を輸送する

• 高運動量の µ 粒子をブロック

Guide π ’s until decay to µ ’s

Suppress high-p particles

•

^{µ’s : pµ} < 75 MeV/c

•

^{e’s : pe} < 100 MeV/c

Beam collimator

Beam Blocker

See “Classical Electrodynamics”, J.D.Jackson Ch.12-Sec.4

COMET 検出器

飛来した

µ

粒子をター ゲット中で停止

低運動量粒子を排除し、信号電子 を高効率で検出器パートへ輸送

~100MeV

電子の 同定と計測

ソレノイド磁場中を

µ

粒子輸送

弯曲ソレノイドスペクトロメータ

• ^{µ停止ターゲット}

• ^{アルミニウム: τµ- = 0.88 µs} 薄いディスクの積み重ね

• ^{66％のµを停止}

• 歪曲ソレノイドスペクトロメータ

• 低運動量粒子を効率良く排除 rejection ~10^-6: < 10kHz

• 信号電子に大しては高い検出効率を維持：20%

• ^{電子検出器}

• ^{飛跡検出器}

• ^{結晶カロリメータ}

60-MeV/c DIO electrons

105-MeV/c µ -e electron

実験ホールレイアウト（案）

• ミューオンタスクフォース、JPNCでの議論

• ターゲットとダンプはホールの外へ

• 上流部を高運動量陽子ビームラインと共有

• エクスティンクション向上のための装置をスイッチヤードに配置

実験感度  ^{データ収集時間} _2x10 ⁷ _sec

•

一事象に対する感度（

Single event sensitivity

）

• Nµ ：µ粒子停止標的に止まるµ粒子の数  2.0x10¹⁸

• fcap ：原子核による, µ粒子捕獲の確立   0.6（アルミニウム）

• Ae ：検出器アクセプタンス        0.031.

total protons

muon yield per proton muon stopping efficiency

8.5x10²⁰ 0.0035 0.66

# of stopped muons 2.0x10¹⁸

Single event sensitivity 2.6 x 10 ^-17

90% C.L. upper limit

6.0 x 10 ^-17

バックグラウンド事象評価 2x10

⁷

sec

Background Events Comments

Radiative Pion Capture 0.05

Beam Electrons <0.1 MC stat limited

Muon Decay in Flight <0.0002

Pion Decay in Flight <0.0001

Neutron Induced 0.024 For high E n

Delayed-Pion Radiative Capture 0.002

Anti-proton Induced 0.007 For 8 GeV p

Muon Decay in Orbit 0.15

Radiative Muon Capture <0.001

Muon Capture with n Emission <0.001 Muon Capture with Charged Part. Emission <0.001

Cosmic-Ray Muons 0.002

Electrons from Cosmic-Ray Muons 0.002

Total 0.34

バックグラウンド事象評価 2x10

⁷

sec

Background Events Comments

Radiative Pion Capture 0.05

Beam Electrons <0.1 MC stat limited

Muon Decay in Flight <0.0002

Pion Decay in Flight <0.0001

Neutron Induced 0.024 For high E n

Delayed-Pion Radiative Capture 0.002

Anti-proton Induced 0.007 For 8 GeV p

Muon Decay in Orbit 0.15

Radiative Muon Capture <0.001

Muon Capture with n Emission <0.001 Muon Capture with Charged Part. Emission <0.001

Cosmic-Ray Muons 0.002

Electrons from Cosmic-Ray Muons 0.002

Total 0.34

ビーム

エクスティンク ションとして

< 10 ^-9

を仮定

建設コスト

• 総額75億円

• 国際協力でコラボレータからの貢献を最大限引き出す

• 研究所ワークショップの活用

• 他国での予算獲得に協力

経費（億円）

陽子ビームライン

     ビームラインマグネット      ビームダンプ

     放射線シールド

17 2 3

超伝導ソレノイド電磁石一式 35.7

検出器

     電子飛跡検出器、カロリメータ      宇宙線シールド

     データ収集システム

4.4 3 0.5

インフラ

     冷凍機

     π中間子生成システム、Wシールド

4.7 2.3

建設経費

     実験エリア建設 3

総額 75

スケジュール

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

CDR

TDR

陽子ビームスタディー エクスティンクション

陽子ビームライン π捕獲ソレノイド磁石 µ輸送ソレノイド磁石

検出器

建設予算

ドキュメント内 Μ粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での 荷電LFV探索 第3回機構シンポジューム 2009年5月11日 素粒子原子核研究所　三原　智 (ページ 55-74)