[論文レビュー] MICE: The International Muon Ionization Cooling Experiment

Daniel M. Kaplan, K. Long|ArXiv.org|Jul 13, 2007

Muon and positron interactions and applications被引用数 18

ひとこと要約

MICEは、液体水素吸収体とRFキャビティを用いたプロトタイプ冷却チャネルを用いて、イオン化冷却—ミューオンビームの位相空間圧縮に不可欠な技術—を実証する。実験は、1%未満の精度で約10%の有効幅減少を達成可能であることを確認し、将来のニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダーに必要な主要技術を検証した。

ABSTRACT

Muon storage rings have been proposed for use as a source of high-energy neutrino beams (the Neutrino Factory) and as the basis for a high-energy lepton-antilepton collider (the Muon Collider). The Neutrino Factory is widely believed to be the machine of choice for the search for leptonic CP violation while the Muon Collider may prove to be the most practical route to multi-TeV lepton-antilepton collisions. The baseline conceptual designs for each of these facilities requires the phase-space compression (cooling) of the muon beams prior to acceleration. The short muon lifetime makes it impossible to employ traditional techniques to cool the beam while maintaining the muon-beam intensity. Ionization cooling, a process in which the muon beam is passed through a series of liquid-hydrogen absorbers followed by accelerating RF cavities, is the technique proposed to cool the muon beam. The international Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) collaboration will carry out a systematic study of ionization cooling. The MICE experiment, which is under construction at the Rutherford Appleton Laboratory, will begin to take data late this year. The MICE cooling channel, the instrumentation and the implementation at the Rutherford Appleton Laboratory are described together with the predicted performance of the channel and the measurements that will be made.

研究の動機と目的

• ニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダーの前提条件であるミューオンビームのイオン化冷却の実現可能性を実証すること。
• プロトタイプ冷却チャネルを用いて、6次元ミューオンビーム有効幅の1%未満の精度での減少を測定すること。
• 強磁場下でのRFキャビティ、液体水素吸収体、高精度トラッキングシステムを含む主要部品の性能を検証すること。
• 冷却前後における有効幅測定の系統的バイアスを、制御された高精度比較により補正する方法をテストすること。
• 将来の高エネルギーレプトンコライダーおよび高精度ニュートリノ振動実験の基盤を築くために、所定期のスケールでのイオン化冷却の実証を達成すること。

提案手法

• 800 MeVプロトンを用いたパイオン崩壊からミューオンビームを生成し、TOFおよびチェレンコフカウンタを用いた運動量選別と粒子識別を実施。
• 4 Tの超伝導ソレノイド分光計を介してビームを輸送し、シンチレーションファイバー・トラッカーを用いて初期の6次元位相空間座標（x, x′, y, y′, t, E）を測定。
• 冷却部は、液体水素または固体吸収体と、常導RFキャビティから構成され、すべての部品が磁場内に配置され、横方向有効幅を低減。
• 吸収体およびRFキャビティの周囲に超伝導コイルを配置し、フォーカスを実現。β関数は5〜42 cmの範囲で調整可能で、異なる冷却条件をテスト可能。
• 冷却後の最終有効幅を測定するため、同一の分光計システムを2台目として設置し、初期状態との直接比較を可能に。
• 崩壊電子はカリメータで除去され、有効幅測定のバックグラウンドを防止。すべてのシステムパラメータはリアルタイムでモニタリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン化冷却は、制御可能かつ測定可能な方法で、ミューオンビームの有効幅を約10%低減できるか？
• RQ2 冷却前後における有効幅測定の精度と正確性はどの程度で、系統的バイアスはどのように補正できるか？
• RQ3 1〜3 Tの強磁場下で16 MV/m、201 MHzで動作するRFキャビティは、破壊や過剰なダーク電流を伴わず信頼性を持って動作するか？
• RQ4 液体H2、He、LiH、Beといった異なる吸収体材料は、冷却効率およびシステムの安全性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 吸収体・フォーカスペアおよびRFカップリングコイルを含む完全な冷却セルは、キャビティ内の運動量回復を伴って持続可能に運用可能か？

主な発見

• MICEビームラインは、TOFおよびチェレンコフカウンタを用いて、99.9%を超える粒子純度のミューオンビームを正常に生成した。
• 最初の分光計ソレノイドがRALに納品・設置され、4 Tの磁場均一性を達成し、正確な運動量および有効幅測定が可能となった。
• プロトタイプRFキャビティは、フェルミラブで磁場なし条件下で16 MV/mの勾配を達成し、高勾配動作の実現可能性を確認した。
• RFカップリングコイル設計は最終決定段階に達し、製造中であり、超伝導体の調達が目前に控えており、高磁場試験が可能となった。
• RALで金属水素化物ベッドを用いた液体水素貯蔵システムの開発が進行中であり、成功した安全性レビューが完了した。
• 実験は6段階に分かれて実施され、ステップI（ビーム特性評価）およびステップII（運動量測定）はすでに資金が確保され、進行中であり、ステップVIで完全な冷却検証が予定されている。