Construction of new DC muon beamline, MuSIC-RCNP, for muon - PowerPoint PPT Presentation

Construction ¡of ¡new ¡DC ¡muon ¡beamline, ¡ MuSIC-­‑RCNP, ¡for ¡muon ¡applied ¡science Dai ¡Tomono Research ¡Center ¡for ¡Nuclear ¡Physics ¡(RCNP), ¡Osaka ¡University On ¡behalf ¡of ¡the ¡MuSIC-­‑RCNP ¡collaboration tomono@rcnp.osaka-­‑u.ac.jp NuFact2017, ¡ ¡26 th Sep. ¡2017 1. MuSIC beamline ¡Concept/ ¡ Construction ¡ ¡ 2. Music ¡beamline ¡Commissioning 3. MuSIC experiment 4. Summary 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 1

MuSIC Beamline ¡ 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 2

MuSIC beamline ¡at ¡RCNP, ¡Osaka ¡University MuSIC (Muon ¡Science ¡Innovative ¡muon ¡beam ¡Channel) ¡beamline ¡? l pion ¡capture ¡solenoid ¡+ ¡pion ¡collection ¡solenoid ¡+ ¡conventional ¡triplet-­‑Q ¡& ¡bends ¡beamline l world’s ¡most ¡efficient ¡DC ¡muon ¡beam ¡source ¡ ¡( ¡~ ¡10 3 ) Triplet-­‑Q ¡+ ¡Bending ¡magnets Pion ¡capture ¡solenoid p collection ¡solenoid 36 ° e, ¡ µ, p , Beam ¡transport: ¡ pion ¡capture ¡solenoid ¡: ¡ Muon ¡beam ¡transport ¡to ¡ • realize ¡large ¡pion ¡/ ¡muon ¡collection ¡efficiency ¡ • the ¡experimental ¡port ¡ Radiation ¡issues ¡(coil ¡cooling ¡for ¡the ¡heat ¡load) • Electron ¡separation • muon ¡collection ¡solenoid ¡: Start ¡experiments ¡ ¡ ¡ • transport ¡and ¡focus ¡with ¡dipole ¡field • 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 3

First ¡experiment ¡: ¡Muon ¡yield ¡measurement ¡at ¡the ¡solenoid ¡exit ¡(2011) Prior ¡experiments ¡to ¡measure ¡muon ¡beams ¡at ¡the ¡solenoid ¡exit. � � � � − t − t N ð t Þ ¼ N f exp þ N s exp τ f τ s � � 2 π t − ϕ þ N b 1 sin þ N b 2 ; T muon ¡X-­‑ray ¡counting muon ¡lifetime ¡fitting "- = 3.6 ± 0.4 ×10 0 "# = 4.2 ± 1.1 ×10 , 𝑂 𝑂 PHYSICAL REVIEW ACCELERATORS AND BEAMS 20, 030101 (2017) published ¡ Delivering the world ’ s most intense muon beam S. Cook, 1 R. D ’ Arcy, 1 A. Edmonds, 1 M. Fukuda, 2 K. Hatanaka, 2 Y. Hino, 3 Y. Kuno, 3 M. Lancaster, 1 Y. Mori, 4 T. Ogitsu, 5 H. Sakamoto, 3 A. Sato, 3 N. H. Tran, 3 N. M. Truong, 3 Phys. ¡Rev. ¡Accel. ¡Beams ¡20 ¡(2017)030101. M. Wing, 1,* A. Yamamoto, 5 and M. Yoshida 5 1 Department of Physics and Astronomy, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, United Kingdom 2 Research Center for Nuclear Physics (RCNP), Osaka University, Osaka 567-0047, Japan 3 Department of Physics, Graduate School of Science, Osaka University, Osaka 569-0043, Japan 4 Kyoto University Reactor Research Institute (KURRI), Kyoto 590-0494, Japan 5 High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba 305-0801, Japan (Received 25 October 2016; published 15 March 2017) A new muon beam line, the muon science innovative channel, was set up at the Research Center for 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 4

Research ¡Center ¡for ¡Nuclear ¡Physics ¡(RCNP) ¡, ¡Osaka ¡University MUSE ¡@ ¡J-­‑PARC ¡ Pulsed ¡muon ¡source Ring ¡Cyclotron ~392MeV ¡(variable) MuSIC @ ¡RCNP, ¡Osaka ¡Univ. ¡ 1.1uA ¡proton, ¡(0.4kW) DC ¡muon ¡source p MuSIC M1 ¡beamline proton ¡beam ¡energy ¡is ¡only ¡100 ¡MeV ¡above ¡pion ¡production ¡threshold ¡( 〜｟ 2m p ) -­‑ -­‑ muon ¡source ¡with ¡low ¡proton ¡power ¡ ¡(1.1 ¡uA ~0.4kW, ¡ ¡5 ¡uA in ¡future) 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 5

Layout ¡of ¡Music ¡M1 ¡Beamline Experimental ¡port Triplet-­‑Q Spin ¡rotator ¡& ¡DC ¡separator µ /e/ p Triplet-­‑Q BM2 +/-­‑ 400 ¡kV ¡/ ¡15cm ¡gap BM1 L ¡= ¡1.8 ¡m ST1 ¡ST2 • muon ¡/ ¡electron ¡separation Triplet-­‑Q • rotate ¡spin ¡with ¡80 ¡degree ¡for ¡surface ¡muon ¡ Pion ¡capture ¡solenoid Now ¡in ¡commissioning • p Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 6 26th ¡Sep. ¡2017

Comparison ¡of ¡pion ¡production ¡methods ¡ Conventional ¡muon ¡beamline MuSIC beamline muon proton ¡beam proton ¡beam Ex. ¡J-­‑Parc MUSE ¡ Ex. ¡MuSIC 1000 ¡kW ¡proton ¡beam 0.4 ¡kW ¡proton ¡beam 20mmt ¡graphite ¡target 200 ¡mmt graphite ¡target Transport ¡ pion capture ¡magnet solenoid graphite target ¡ bend ¡( p selection) pion Capture ¡ ¡solenoid decay ¡volume Proton ¡beam ¡ loss ¡~ ¡5% Collect ¡ p / µ bend ¡( µ selection) with ¡3.5T ¡solenoidal ¡field muon to ¡neutron ¡facility to ¡dump • Thick ¡target ¡( ¡200mmt ¡) Thin ¡target ¡(~ ¡20mmt) • • Large ¡solid ¡angle, ¡good ¡collection ¡efficiency ¡ Small ¡solid ¡angle ¡ • • No ¡ ¡muon ¡spin ¡selection ¡( ¡no ¡selection ¡of ¡ ¡pion ¡/ ¡ Separate ¡pion ¡and ¡muon ¡momentum ¡selection ¡ ¡ ¡ ¡ • muon ¡momentum ¡) (obtain ¡highly ¡polarized ¡muon ¡beam) 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 7

Pion ¡capture ¡solenoid ¡& ¡Pion ¡transport ¡solenoid l Pion ¡capture ¡solenoid ¡(3.5T) — pion ¡production ¡target ¡inside ¡ ¡(1.5 ¡interaction ¡length) ¡ — pion ¡collection ¡with ¡large ¡solid ¡angles l Pion ¡transport ¡solenoid ¡(2.0T) —Curved ¡solenoid ¡to ¡capture ¡and ¡transport ¡pion/muon — Momentum ¡selection ¡with ¡dipole ¡collection ¡field ¡ Beam ¡Profile ¡by ¡G4beamline ¡ ¡simulation Surface ¡muon Inflight-­‑decay ¡muon exit ¡of ¡the ¡36 ° curved ¡solenoid ¡ ~ ¡3x10 8 positive ¡muons ¡ ~ ¡10 3 pion ¡production ¡efficiency ¡ ~ ¡1x10 8 negative ¡muons ¡ 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 8

Proton ¡beam ¡monitoring ¡ proton ¡beam ¡is ¡tuned ¡ to ¡penetrate ¡and ¡focus ¡ at ¡the ¡center ¡of ¡graphite ¡taeget 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 9

Prototype ¡beamline ¡for ¡COMET ¡experiment ¡but ¡… 392 ¡MeV, ¡ Transport 1.1 ¡uA solenoid DC ¡proton MuSIC Beamline Capture ¡ ref ¡ ¡from ¡COMET ¡experiment, ¡TDR2016 solenoid COMET ¡for ¡μ-­‑e ¡conversion demonstrated ¡proof-­‑of-­‑principle ¡for ¡muon ¡production ¡with ¡the ¡solenoid ¡system ¡ • using ¡392 ¡MeV/1uA ¡DC ¡proton ¡beam ¡ The ¡MuSIC is ¡aiming ¡for ¡a ¡versatile ¡beamline ¡for ¡muon ¡experiments ¡with ¡variety ¡of ¡science. • 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 10

Beamline ¡Commissioning ¡& ¡ Experiments ¡ 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 11

Experimental ¡port ¡(at ¡the ¡M1 ¡beamline ¡end) Muonic X-­‑ray ¡measurement In Feb ¡2017, ¡proton ¡beam ¡current ¡increases ¡ • 20 ¡nA to ¡1.1 ¡uA owing ¡to ¡the ¡shielding ¡ blocks ¡ Test ¡of ¡the ¡beamline ¡components ¡(steering ¡ • magnets, ¡Qs, ¡Bends ¡and ¡DC ¡separator ¡) µ SR spectrometer Muon ¡ ¡yield ¡ ¡measurement • Beam ¡size • Slit ¡& ¡Background ¡ • Spin ¡polarization ¡ • TOF ¡setup Beamline ¡end Muon ¡beam 26th ¡Sep. ¡2017 Dai ¡Tomono ¡ ¡Nufact17 ¡@ ¡Uppsala, ¡Sweden 12