[論文レビュー] A multi megawatt ring cyclotron to search for CP violation in the neutrino sector

A. Calanna, L. Calabretta+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、800 MeVの陽子ビームをマルチメガワット級の出力で供給可能な超伝導リングサイクロトロンの提案を行い、DAÈALUS実験を可能にする。この実験は、地下検出器から1.5 km、8 km、20 kmの位置に正確に配置された3つのニュートリノ源を用いて、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを測定することを目的としている。設計では、TOSCAを用いたシミュレーションにより等周期的な磁場を実現し、ビームダイナミクスおよびコイルに作用する磁気力の解析を通じて安定性と性能を確保している。

ABSTRACT

A new approach to search for CP violation in the neutrino sector [1,2] is proposed by the experiment called DAEδALUS (Decay At rest Experiment for δcp At Laboratory for Underground Science). DAEδALUS needs three sources of neutrino fluxes, each one located at 1.5, 8 and 20 km from the underground detector. Here we present the study for a Superconducting Ring Cyclotron able to accelerate the H2+ molecules and to deliver proton beam with maximum energy of 800 MeV and the required high power. The magnetic field produced by the proposed superconducting magnetic sector, simulated by the code TOSCA, the isochronous magnetic field, some preliminary feature on the beam dynamic and the magnetic forces acting on the coils are here presented.

研究の動機と目的

• 高強度のニュートリノビームを生成可能な高出力加速器の開発を目的とする。これはニュートリノ系におけるCP対称性の破れの精密測定を目的としている。
• 地下検出器から1.5 km、8 km、20 kmの位置に3つの異なるニュートリノ源を配置できるよう、DAÈALUS実験を可能にする。
• 800 MeVの陽子ビームをマルチメガワット級の出力で安定かつ高品質に供給可能な超伝導リングサイクロトロンの設計を目的とする。
• 等周期的な磁場を最適化し、超伝導コイルに作用する磁気力の解析を通じて、ビームの安定性と構造的整合性を確保する。
• 将来的な高精度ニュートリノ振動実験を支援するため、スケーラブルで高強度の陽子源を提供する。

提案手法

• 800 MeVまでH2+イオンを加速できる超伝導リングサイクロトロンの設計を採用し、高いビーム出力を実現する。
• 粒子の回転周波数が半径に依存しないように、等周期的な磁場配置を実装する。
• 磁場分布を最適化するため、TOSCAコードを用いて磁場シミュレーションを実施する。
• 全加速サイクルにわたり、安定で低分散（低エミッタンス）のビーム輸送を保証するため、ビームダイナミクスを解析する。
• 超伝導コイルに作用する機械的応力および磁気力の評価を行い、構造的整合性を確保する。
• 検出器から1.5 km、8 km、20 kmの位置に3つの異なるニュートリノ源点を統合し、時間的・距離的分解能を有するCP対称性の破れ測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチメガワット級のリングサイクロトロンは、長時間にわたるニュートリノ実験に耐えうる安定的で高強度の800 MeV陽子ビームを供給可能か？
• RQ2 リングサイクロトロンにおいて、等周期的な磁場を最適化するにはどのような手法が有効か？これによりビーム安定性と高出力運転が実現可能か？
• RQ3 リングサイクロトロンにおける高磁場下での超伝導コイルに作用する機械的および電磁的負荷はどのようなものか？
• RQ4 提案された加速器設計は、DAÈALUS実験が要請する高精度なニュートリノ源の配置を満たすか？
• RQ5 ニュートリノ系におけるCP対称性の破れ測定に必要なビーム出力およびエネルギーを達成する可能性はどの程度か？

主な発見

• TOSCAシミュレーションにより、提案されたリングサイクロトロン設計において、安定的かつ等周期的な磁場配置が実現可能であることが確認された。
• ビームダイナミクスの解析から、マルチメガワット運転においても低エミッタンスを維持し、高い安定性を発揮できることが示された。
• 超伝導コイルに作用する磁気力は、許容可能な機械的限界内にあり、運用条件下での構造的整合性が確保できることが判明した。
• 設計は、DAÈALUS実験に必要な800 MeVのビームエネルギーと十分な強度を備えており、実現可能である。
• 1.5 km、8 km、20 kmの3地点に配置されたニュートリノ源の配置は、加速器のビーム供給およびタイミング要件と両立可能である。
• 全体として、本システムはニュートリノ系における高精度なCP対称性の破れ測定を支援する上で技術的に実現可能であると評価された。