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J-PARC MLFでのドップラーシフターを
用いた超冷中性子の生成
今城想平, 藤岡宏之, 清水裕彦 A, 三島賢二 A,
吉岡瑞樹 A, 北口雅暁 B, 日野正裕 B
and NOP collaboration
京大理, KEK A, 京大原子炉 B
最終目標: EDM 測定実験
基本粒子の永久電気双極子能率 (permanent
Electric Dipole Moment) をしらべる.
spin
T violation
クォークやレプトンは生まれつき時間反転非対称な
存在か否か、非対称の大きさはいかほどか.
CPT定理
EDM
T violation = CP violation
EDM spin
EDM を測る = CP対称性の破れの大きさがわかる.
Xe等の原子(電子), ミューオン, 中性子(クォーク)
小さすぎる.
中性子EDM (Standard Model) : dn ~ 10-32 e･cm
EDM 実験では蓄積した粒子のスピン
歳差運動の周波数を見る.
h  2  B  2d  E
統計誤差:
 dn 
1
T N
hD
B
E
Storage Bottle
B
E
Storage Bottle
実験道具: Ultra Cold Neutron
粒子が感じるFermiポテンシャル以下にまで運動エネルギーが下がった中性子.
通例, 研磨したニッケル表面 (240 neV) より低いエネルギーのもの.
速度:~ 7 m/s 以下, 波長: ~ 56 nm 以上.
超低エネルギーゆえの
特異な挙動
UCN
・容器内に溜められる.
・遅いので重力による
落下を無視できない.
・遅いので磁場によく
反応する.
高濃度 UCN を使えば中性子の EDM がよくわかる.
EDM実験用UCN源 (J-PARC P33)
LINAC
proton
UCN
Moderator & Converter
新設UCN源候補地
冷却にはスーパーサーマル法 (固体酸素や超流動ヘリウム中のフォノ
ンに中性子のエネルギーを渡す冷却手法) を用いる.
レンズ
粒子数
時間経過
速度に応じて
ばらける
bottle
位置
瞬間的だがきわめて濃い
このような光学的操作が可
能なら大きな強みになる.
R&D
Pulsed UCN
Shutter
Rebuncher
Storage
Bottle
Time focus
UCN source
始状態にまで回復させる装置 (Rebuncher) を設計中.
たとえば、先に到着した高速な UCN ほど減速量を大きくする.
パルス構造ゆえに可能.
MLF のパルス中性子源で R&D ができるとうれしい.
LINAC
MLF
はっきりとしたパルス構造をもつUCN
をはき出す装置がすぐにほしい.
Doppler Shifter
全体像
J-PARC EDM計画
実験設備開発
R&D
UCN源建
設
Doppler
shifter
Doppler Shifter とは
鏡の慣性系
取り出し口
Beam
鏡
Lab系
325 mm
弾性散乱
ドップラーシフト
逃げる鏡に粒子を反射させ粒子の
勢いをうばう装置. (野球のバント)
mirror
Vm⊥
Vn⊥
Vr⊥
neutron
Vr   Vn  2Vm
鏡面速度の2倍が最適値
ビームライン上に置くだけでビーム粒子を減速できる.
位相空間密度を保ったまま.
この Doppler Shifter の特徴
本装置では京大原子炉で研究
された多層膜ミラーを使用.
(日野氏)
世界最高の反射能力
68 m/s の中性子を垂直に反射できる.
( ニッケル鏡面の10倍の反射能力 )
鏡を回転させて中性子を減速する装置に
はすでに前例がある.
(例) ILLのUCNタービン
従来の装置では反射可能な粒子の入射
エネルギーは低い. (斜め入射で 50 m/s
程度)
136 m/s の中性子を1回の反射で UCN 化できる.
30 mm
30 mm
装置に搭載した鏡.
Bragg反射で中性子を反射.
反射率 40%
実験場所 J-PARC MLF BL05 からの制限
非偏極ビームライン(真ん中のライン)での
中性子スペクトル @120 kW
25 Hz pulsed beam
現在 120 kW
200 m/s
136 m/s
Hg target
proton
neutron
100 m/s
減速可能
Doppler Shifter でUCN化をねらえる限界.
• 1度に反射する粒子数を多くしたい.
• UCN の TOF も見やすくしたい.
• シフターの直径 65 cm, 中性子源 25 Hz.
回転数 2000 rpm で 136 m/s を 3 パルスに 1 回蹴り出す.
~ 腕の長さ 325 mm で 68 m/s
実験概要
MLF のビーム入射に同期した 25 Hz 信号 (加速器由来のClock)
1 / 3 にまびく
回転位相制御, TOFのトリガーに使用
トリガー信号が来た瞬間
検出器
飛程 L
in
鏡
TOFの意味するところ
Dt = (tdetect - ttrigger) – q0 / w
= Dttrue + Dtoffset
角速度 ω
腕が垂直になった瞬間≒粒子を反射した瞬間
とみなす.
位相オフセット θ0
このTOF からの速度推定
vneutron = L / Dt
Setting
136 m/s
136 m/s 前後を蹴り出せて
いるかを TOF で確認.
±8 %
全体図
3He
Pb & B4C 遮蔽体
単色化ミラー
UCN
3He
detector
UCN
2次元
検出器
白色中性子
136 m/s
(RPMT)
2次元
検出器
detector
3He
Detector での測定
中性子はちゃんと反射
されてきていた.
UCN領域
回転時
イベント@120 kW
出力: 0.8 cps
非回転時
ノイズ@120 kW
出力: 0.07 cps
入射量: 13 kcps, RPMT
の Efficiency 80%
→ 入射量 16 kcps
正味の出力: 0.73 cps
ただし, これはUCN以外も含めた分布全体の合計出力.
UCNであることの確認
バックグラウンドにより, TOFからの波長
の推定だけでは確実なことは言えない.
この位置に研磨したニッケルの
板を設置する.
3He
detector
UCNに対するニッケルの有効ポテ
ンシャルは 240 neV . それ以下の
エネルギーの粒子は通過できない.
v > 7 m/s
v < 7 m/s
UCN であればUCN領
域の統計が減るはず.
136 m/s
UCNであることの確認
ニッケル板なし
ニッケル板あり
UCNであることの確認
7 m/s
たしかに減っている.
?
Ni 板有り (赤), Ni 板無し (黒).
Ni 板有り (赤), Ni 板無し (黒),
それらの差 (青).
UCN の存在を確認した
UCN領域の
efficiency
正味の UCN 出力は 120 kW において~ 0.73/3/0.84 ~ 0.3 cps.
2つ目のpeakについて
不明なピーク
ニッケルを置いても消えない
のでUCNではない.
2つ目のpeakについて
パルスは 40 ms に1回
ms
40
30
80
30
120
30
ms
2000 rpm だとミラーは 30 ms
で1回転
次のパルスの端を鏡が引っかけた結果が見えていた.
シミュレーションとの比較
赤：実測データ
黒：シミュレーション
TOF の全波長
赤：実測データ
黒：シミュレーション
Simulation: V < 7 m/s のみ抜粋.
Data: Ni ミラー有無の差分値.
ドップラーシフターの壁面が中性子を反射しなかったと設定した。
シミュレーションを積分し補正すると 0.183/0.84 = 0.218 cps @120kW.
まとめ
 大規模EDM実験に向けた R&D のためにドップラーシ
フターを開発した.
 ドップラーシフターでのUCNの生成を確認した.
 ドップラーシフターの出力は入力16kcpsに対し0.3cps.
今後の展開
 生成UCNを用いてのEDM実験用装置のR&Dの開始
(本年末実験開始予定, まずは Rebuncher から).
 入力ビームをフォーカスするなどしてのUCN収量の向上.
 単色ミラーを経由した入力ビームが強度低下を起こすな
どの動作不良点の解明.