テストミュオンビームラインで、これまでに3回、加速実験を行ってきました。2回目の実験では、加速後のミュオンビームの空間的な分布をモニタではかることに成功しました。3回目の今回の成果は、加速後のミュオンビームの時間的な分布をはかるモニタを開発し、ビームの時間幅をはかることに成功したものです。https://j-parc.jp/ja/news/2018/news-j1801.html#300102今回開発された「ミュオンビームの時間分布をはかるモニタ」とは、どういったものですか?J-PARC加速器のビームパイプの中を流れるビームは、ずっと定常的に流れているのではなく、かたまりになって流れています。ある場所を見ていれば、ある時にかたまりが通過して、しばらく時間間隔をおいて、また次のかたまりが流れます。したビームを「パルスビーム」と言います。パルスビームを横軸に時間、縦軸にビーム強度をとったグラフで表せば、図のようになります。した時間的なビームの分布を測定するモニタを開発しました。E34実験では、全部で4段階の加速空洞を用いてミュオンビームを加速します。パルス幅を持つミュオンのパルスビームを、加速空洞に入射して加速します。程度の各々のかたまりと加速空洞とのタイミングを精密に調整しないと上手く加速できず、ミュオンg-2/EDMの精密測定に必要な高品質ビームができません。そこで、モニタを使ってこのパルス幅を測定します。交互に+-+-・・・となるように高周波電場をかける。E34実験で加速する正ミュオンが、ある電極間の「ギャップ」を通過するときに、その左側の電極が+、右側の電極が-になるように高周波電場をかければ、正ミュオンは図の右方向に加速される。正ミュオンが次のギャップに進んだ時には高周波電場の+と-が逆転するように周波数をコントロールすれば、常に正ミュオンを加速することができる。nsの周期で収束されたビームのかたまりができる。今回、開発したモニタでミュオンビームの時間分布をはかることに成功したのですね?はい。今回、論文で発表した成果のポイントは、大きく2つです。ビームモニタを持ち込み、加速後のビームの時間分布をはかることに成功したことです。今回の試験では、実際のE34実験と条件はかなり異なりました。このパルス幅をモニタではかることができ、シミュレーションと一致した値が得られました。時間分解能を出せることを確認したことです。実際のE34実験では、数十psのパルス幅をはかる必要がありますが、それに迫る時間分解能が達成できました。高い時間分解能ではかれることがポイントなのですね。いう検出器を採用しています。小さな穴が、プレート面に垂直でなく斜めの角度で無数に空いており、プレートの両面間に高電圧をかけておきます。ミュオンが穴に飛び込むと、穴の壁との衝突によりいくつかの電子が発生します。その電子が電圧により引っ張られて壁に当たることで再びいくつかの電子を発生し、どんどん増えていきます。この電子を電気信号として読み出します。MCP自体は市販されていますが、実験に必要な高い時間分解能を出せるようにするには、信号の読み出し機構の工夫など、大きな開発要素がありました。開発は大変でしたか?(須江)J-PARCのビームを使って実験できるタイミングに合わせて準備を進めないといけないので、時間的に大変でした。用いて開発を進めることで、わずか2か月という試験期間で目標時間分解能を達成できました。製作期間がギリギリで、業者とのやり取りが大変でした。納品後、J-PARCでの実験までの期間も短く、急いで性能を確認しました。時間がない中でスケジュールをやりくりし、間に合わせることができたのは、良い経験になりました。ビームライン全体や加速空洞のシミュレーションは、自ら行い、とても良い勉強になりました。2014.(四塚)私は、モニタの時間分解能の向上を担当しました。当初考えていた、ピコ秒パルスレーザーを結晶表面に照射して発生させた光電子を検出する方法では高い時間分解能が出せず、苦労しましたが、実験している中で、レーザーをMCP表面に直接照射して発生させた光電子を用いることで、高い時間分解能が出せることを見つけ、道が開けました。J-PARCでの実験に間に合って時間分解能を向上させることができ、さらに、今回のJ-PARCでの実験よりも短いパルス幅にも対応できる時間分解能を実現できました。MCP表面にレーザーを照射している様子。今後も、この実験の準備を続けていくのでしょうか?(須江)今回、論文発表した成果は、僕が修士課程のときに行った成果で、博士課程に入ってからは、実は別の研究テーマに取り組んでいます。II実験のトリガーの開発と、物理解析を行っています。これまで、今回ご紹介したビームモニタの開発・試験や、他にも様々なことに携わり、加速器についての見識が非常に深まりました。これを生かして、博士課程では装置開発や試験だけでなく、物理解析で成果を出したいと考えたのです。実はこの物理解析で得られる結果はミュオンg-2の理論予測の精度を上げることが出来るものです。現在は修士課程のときとは異なるアプローチでミュオンg-2の謎に挑戦していることになります。博士課程の1年目がまもなく終了するところですが、すでにこれまでに習得した加速器の見識が役立っていることを実感しています。ミュオンのビームモニタの開発は、四塚さんが引き継いで進めています。E34実験に必要な時間分解能の達成に迫ってきていますが、もうひと頑張りが必要なところです。一緒の研究室にいますので、今でも相談には乗っています。自分もこの実験でももう一仕事したいところですが、2つの研究テーマを進めることはできないので、歯がゆいところです。(四塚)私は、現在もE34実験での低エミッタンスミュオンビーム実現に向けて、低速部のビーム輸送ラインの開発に取り組んでいます。低速部では今回開発をしたモニタを使ってビーム診断を行うので、ビーム輸送ラインの光学系についてデザインを行いながらモニタへの要求精度の見積もりも行っています。モニタ開発も継続して行っており、要求される時間分解能の達成を目指すとともに、位置校正などより詳細な性能評価を行っていく予定です。