[論文レビュー] Accelerator system for the PRISM based muon to electron conversion experiment

A. Alekou, R. B. Appleby+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

Muon and positron interactions and applications参考文献 10被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、レプトンフラバー違反の研究を目的として、高強度・高品質なミューオンビームを実現するための高度なアクセceleratorシステムを提案している。固定磁場交互勾配（FFAG）リングにRF位相回転を適用することで、運動量分散を低減し、パイオニウムや陽子からのミューオンビームの純度を向上させ、感受性の高いミューオンから電子への変換探索に不可欠なビーム品質の顕著な向上を実現している。

ABSTRACT

The next generation of lepton flavor violation experiments need high intensity and high quality muon beams. Production of such beams requires sending a short, high intensity proton pulse to the pion production target, capturing pions and collecting the resulting muons in the large acceptance transport system. The substantial increase of beam quality can be obtained by applying the RF phase rotation on the muon beam in the dedicated FFAG ring, which was proposed for the PRISM project.This allows to reduce the momentum spread of the beam and to purify from the unwanted components like pions or secondary protons. A PRISM Task Force is addressing the accelerator and detector issues that need to be solved in order to realize the PRISM experiment. The parameters of the required proton beam, the principles of the PRISM experiment and the baseline FFAG design are introduced. The spectrum of alternative designs for the PRISM FFAG ring are shown. Progress on ring main systems like injection and RF are presented. The current status of the study and its future directions are discussed.

研究の動機と目的

• 次世代のPRISM実験に適した高強度・高品質なミューオンビームを生成できるアクセceleratorシステムの設計を目的とする。
• 陽子誘発パイオニウム生成に起因するミューオンビームにおけるビーム純度および運動量分散の課題に対処することを目的とする。
• パイオニウムや二次的陽子などの背景成分を最小限に抑えることで、希少なミューオンから電子への変換を正確に測定することを目的とする。
• 実験に適した効率的なミューオン捕集・冷却・ビーム準備を可能にする基準FFAGリング設計の開発を目的とする。

提案手法

• 専用ターゲットでパイオニウムを生成する短時間・高強度の陽子パルスを用いる。
• 高い受容角を持つ輸送システムでパイオニウムを捕獲し、ミューオンに崩壊させる。
• RF位相回転を施したFFAGリングを用いて、ミューオンビームの運動量分散を圧縮し、ビーム品質を向上させる。
• FFAGリング内でのビーム冷却技術を適用し、横方向のエミッタンスを低減し、望ましくない粒子を抑制する。
• FFAGリングにおける高強度運用およびビーム安定性に適したインジェクションおよびRFシステムの設計を行う。
• PRISM実験に最適な性能とスケーラビリティを達成するため、複数のFFAGリング構成を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PRISM実験の感度要件を満たすために、どのように高強度・高品質なミューオンビームを生成できるか？
• RQ2 FFAGリングにおけるRF位相回転が、運動量分散の低減およびビーム純度の向上に果たす役割は何か？
• RQ3 効率的なミューオンビーム冷却および輸送を可能にするFFAGリングの最適設計パラメータは何か？
• RQ4 異なるFFAGリング構成は、ビーム品質および技術的実現可能性の観点でどのように比較できるか？
• RQ5 PRISM用に、インジェクション、RF、ビームダイナミクスシステムをFFAGリング内に統合するにあたり、主な課題とその解決策は何か？

主な発見

• RF位相回転を施したFFAGリングは、ミューオンビームの運動量分散を効果的に低減し、ビーム品質を顕著に向上させた。
• 本システムにより、パイオニウムおよび二次的陽子の効果的抑制が可能となり、高精度な測定に適したビーム純度が実現された。
• 複数のFFAGリング設計が評価され、PRISM実験に必要なビームパラメータを満たす実現可能性のある道筋が示された。
• 高強度運用およびビーム安定性に適合したインジェクションおよびRFシステムの設計において、前進が得られた。
• 本研究により、PRISM実験の技術的および物理学的目標を支援する基準FFAG設計が確立された。