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
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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. T violation. 基本粒子の 永久電気双極子能率 ( permanent E lectric D ipole M oment) をしらべる. spin. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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
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最終目標最終目標 : EDM : EDM 測定実験測定実験T violation
EDM を測る = CP 対称性の破れの大きさがわかる .
B E B E
Storage Bottle Storage Bottle
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 .
統計誤差 :
EdBh 22
EDM EDM
spin
spin
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 .
基本粒子の永久電気双極子能率 (permanent Electric Dipole Moment) をしらべる .
Xe 等の原子 ( 電子 ), ミューオン , 中性子( クォーク )
CPT 定理
T violation = CP violation
h
中性子 EDM (Standard Model) : dn ~ 10-32 e ・cm
小さすぎる .
NTnd
1
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実験道具実験道具 : : UUltra ltra CCold old NNeutroneutron
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 .
・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 .
超低エネルギーゆえの特異な挙動
UCN
高濃度 UCN を使えば中性子の EDM がよくわかる .
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LINAC
EDMEDM 実験用実験用 UCNUCN 源 源 (J-PARC P33)(J-PARC P33)
新設 UCN 源候補地
protonUCN
Moderator & Converter
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 .
位置
粒子数時間経過
瞬間的だがきわめて濃い
速度に応じてばらける
レンズ
このような光学的操作が可能なら大きな強みになる .
bottle
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Pulsed UCN
ShutterStorage Bottle
R & DR & DRebuncher
Time focusUCN source
始状態にまで回復させる装置 (Rebuncher) を設計中 .
MLF のパルス中性子源で R&D ができるとうれしい .
Doppler Shifter
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 .
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 .
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全体像全体像
J-PARC EDM 計画実験設備開発
R & D
Doppler shifter
UCN 源建設
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Doppler Shifter Doppler Shifter とはとは鏡の慣性系 Lab 系
弾性散乱 ドップラーシフト
Beam
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 )
ビームライン上に置くだけでビーム粒子を減速できる .
325 mm
mirrorneutron
Vr⊥
Vn⊥
mnr VVV 2Vm⊥
鏡面速度の 2 倍が最適値
鏡
取り出し口
位相空間密度を保ったまま .
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この この Doppler Shifter Doppler Shifter の特徴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 )
30 mm
30 mm
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
Bragg 反射で中性子を反射 .
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 )
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 )
136 m/s の中性子を 1 回の反射で UCN 化できる .
装置に搭載した鏡 .
反射率 40%
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実験場所実験場所 J-PARC MLF BL05J-PARC MLF BL05 からの制限からの制限25 Hz pulsed beam現在 120 kW
proton
neutron
Hg target
Doppler Shifter で UCN化をねらえる限界 .
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
100 m/s
136 m/s
200 m/s
• 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 .
減速可能
~ 腕の長さ 325 mm で 68 m/s
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実験概要実験概要MLF のビーム入射に同期した 25 Hz 信号 (加速器由来の Clock)
検出器
飛程 L
in
鏡
位相オフセット θ0
トリガー信号が来た瞬間
1 / 3 にまびく回転位相制御 , TOF のトリガーに使用
角速度 ω
t = (tdetect - ttrigger) –
= ttrue + toffset
vneutron = L / t
TOF の意味するところ
この TOF からの速度推定
腕が垂直になった瞬間≒粒子を反射した瞬間 とみな
す .
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Pb & B4C 遮蔽体
3He detector
単色化ミラー
136 m/s
白色中性子UCN
2次元検出器
SettingSetting
3He detector
2次元検出器
全体図
UCN
136 m/s 前後を蹴り出せているかを TOF で確認 .
136 m/s
(RPMT)
±8 %
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33He Detector He Detector での測定での測定
イベント @120 kW出力 : 0.8 cps
ノイズ @120 kW出力 : 0.07 cps
回転時
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 .
入射量 : 13 kcps, RPMT の Efficiency 80%
→ 入射量 16 kcps
非回転時
UCN領域
中性子はちゃんと反射されてきていた .
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UCNUCN であることの確認であることの確認
この位置に研磨したニッケルの板を設置する .
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 .
UCN であれば UCN領域の統計が減るはず .
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 .
3He detector
v < 7 m/s
v > 7 m/s
136 m/s
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UCNUCN であることの確認であることの確認
ニッケル板なし
ニッケル板あり
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UCNUCN であることの確認であることの確認
Ni 板有り (赤 ), Ni 板無し (黒 ), それらの差 (青 ).
Ni 板有り (赤 ), Ni 板無し (黒 ).
UCN の存在を確認した正味の UCN 出力は 120 kW において ~ 0.73/3/0.84 ~ 0.3
cps.
たしかに減っている .
7 m/s
UCN領域のefficiency
?
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22 つ目のつ目の peakpeak についてについて
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 .
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22 つ目のつ目の peakpeak についてについて
ms
ms
40 80 120
30 30 30
パルスは 40 ms に 1 回
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 .
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TOF の全波長 Simulation: V < 7 m/s のみ抜粋 .Data: Ni ミラー有無の差分値 .
赤:実測データ黒:シミュレーション
赤:実測データ黒:シミュレーション
シミュレーションとの比較シミュレーションとの比較
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.
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まとめまとめ
今後の展開今後の展開
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.
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 .