[論文レビュー] A Multi Megawatt Cyclotron Complex to Search for CP Violation in the Neutrino Sector

L. Calabretta, M. Maggiore+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2010

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、ニュートリノのCP対称性破れ研究を目的として、H2+イオンを800 MeV/amuまで加速するためのマルチメガワット級サイクロトロン複合施設の設計を提案している。このシステムは、イジェクターサイクロトロンと超電導磁石およびRFキャビティを備えた16セクターのブースターリングから構成され、3次元電磁界シミュレーションと実証済みの軌道計算コードを用いてビームダイナミクスとコイル応力の最適化が行われ、高強度ニュートリノ源開発の基盤を築くものである。

ABSTRACT

A Multi Megawatt Cyclotron complex able to accelerate H2+ to 800 MeV/amu is under study. It consists of an injector cyclotron able to accelerate the injected beam up to 50 MeV/n and of a booster ring made of 8 magnetic sectors and 8 RF cavities. The magnetic field and the forces on the superconducting coils are evaluated using the 3-D code OPERA. The injection and extraction trajectories are evaluated using the well tested codes developed by the MSU group in the '80s. The advantages to accelerate H2+ are described and preliminary evaluations on the feasibility and expected problems to build the injector cyclotron and the ring booster are here presented.

研究の動機と目的

• ニュートリノ振動実験に適したマルチメガワット級ビーム出力を実現する高強度陽子源の設計を目的とする。
• 高光度ニュートリノビームを提供することにより、ニュートリノ系におけるCP対称性破れの精密な研究を可能にする。
• 従来の陽子源に対するコスト効率的で効率的な代替手段として、H2+イオン加速を用いたサイクロトロン複合施設の開発を目的とする。
• イジェクターサイクロトロンと16セクターのブースターリング（超電導磁石およびRFキャビティを備える）の建設可能性を評価する。

提案手法

• 超電導コイルにかかる磁界と機械的応力のモデル化を目的として、OPERAコードを用いた3次元電磁界シミュレーションを実施する。
• 1980年代にMSUグループが開発した検証済みの軌道計算コードを用いて、注入および抽出ビームパスを計算する。
• 2段階加速システムを設計：イジェクターサイクロトロンがH2+を50 MeV/nまで加速し、その後8つの磁石セクターと8つのRFキャビティを有するブースターリングで加速する。
• ビーム光学、磁気剛性、加速段階におけるRF周波数制御の詳細なモデリングを用いて、ビームダイナミクスを最適化する。
• 超電導部品にかかる電磁的および機械的負荷を評価し、構造的・運用的安定性を確保する。
• 電荷対質量比の観点から、H2+を主なイオン種として採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ実験に適した、800 MeV/amuのマルチメガワット級H2+ビームを供給可能なサイクロトロン複合施設の最適な構成は何か？
• RQ2 多段階サイクロトロンシステムにおいて、ビームダイナミクス、注入、抽出を正確にモデリング・最適化するにはどうすればよいか？
• RQ3 高強度サイクロトロン複合施設における超電導磁石にかかる電磁的および機械的負荷は何か？
• RQ4 イジェクターサイクロトロンおよび16セクターのブースターリングを建設するにあたり、主な技術的課題と実現可能性上の制約は何か？
• RQ5 将来的なニュートリノCP対称性破れ実験において、H2+イオン加速は従来の陽子源に対する実用的で効率的な代替手段として成立するか？

主な発見

• イジェクターサイクロトロンはH2+イオンを50 MeV/nまで加速し、ブースターリングへの注入に適した安定的で高品質なビームを供給する設計である。
• 8つの磁石セクターと8つのRFキャビティを有する16セクターのブースターリングは、H2+を800 MeV/amuまで制御されたビームダイナミクスで加速可能である。
• OPERAコードを用いた磁界および機械的応力のシミュレーションにより、超電導コイルがシステムで想定される電磁的負荷に耐えうることが確認された。
• MSUが開発したコードを用いた軌道シミュレーションにより、所定の強度で安定したビームの注入および抽出が可能であることが検証された。
• 予備の実現可能性評価では、システムは技術的に実現可能であると判明したが、磁石設計、RF安定性、ビーム損失制御に関する課題は今後解決が必要である。
• H2+イオンの使用はビーム強度および効率の面で利点を有しており、マルチメガワット級サイクロトロン複合施設のさらなる開発を支持する根拠となる。