PRISM RCNP RCNP - - PowerPoint PPT Presentation

PRISM計画とRCNPでの展開案

大阪大学 大学院理学研究科 佐藤 朗 RCNP研究会「ミューオン科学と加速器研究」 2010年2月23日-24日

2010年2月24日水曜日

Outline

• Mu-e conversion
• Limits for the COMET and Mu2e experiment
• signal sensitivity
• high-Z stopping material
• PRISM concept
• R&D results
• Future R&D plans at MUSIC
• Summary

2010年2月24日水曜日

荷電レプトンのレプトンフレーバ保存の破れ

• 標準理論(mν=0)では反応の前後で世代毎のレプトン数が保存される。
• ν振動の発見により中性レプトンではレプトンフレーバ保存が破れた。MNS行列
• 荷電レプトンでは未だ発見されていない。cLFV過程は本当にないのか？

ニ ュ ー ト リ ノ 振 動 荷 電 レ プ ト ン の 世 代 混 合 ( c L F V )

• ニュートリノ振動を考慮した標準理論で

はの分岐比の予言値はO(10-50)と観測に かからないレベル。

• cLFV過程の観測は新物理を意味する。
• 多くの理論モデルが大きなcLFV分岐比

を予言している。実験感度を数桁向上さ せることで発見されるの可能性が高い。

2010年2月24日水曜日

PRISM-Phase 1 PRISM-Phase 2

図 の超対称性大統一理論による の 分岐比。原図は参考文献 より。 宇宙のバリオン数非対称のシナリオを与える有力な理論 である 。ニュートリノの湯川相互作用ではフレー バー対称性が破れており、この相互作用がスレプトンの 質量項に対してフレーバーを破る量子補正を生む 。こ の理論では、図 に示すように 現象の大きさはこ の重い右巻きニュートリノの質量に依っているので、そ の分岐比の測定により右巻きニュートリノ質量を決定で きることが示唆されている 。 このように 過程の分岐比は、超対称性と力の大 統一やシーソー機構により大きく向上する。したがって、 過程の探索はこれらの理論の検証に大きな役割を 果たすと期待されている。 図 超対称性シーソー理論による 過程の分 岐比の計算。実験の上限値は 実験のデータ で ある。上線より の場合の結果である。参 考文献 より。

との関係

荷電レプトンのレプトンフレーバー非保存過程の探索 など、保存則や対称性の破れを高い精度で検証すること で超対称性などの高いエネルギー領域の物理を探ること ができる。この研究手法を精密フロンティア実験と呼ぶ。 素粒子物理学の発展において、精密フロンティア実験は、 や に代表される高エネルギー加速器を用いた 高エネルギーフロンティア実験と相補的な役割を果たし てきた。現在建設中の ではヒッグス粒子と超対称性 粒子の両方が発見されると期待されている 。 で 超対称粒子が発見されれば、 過程の探索によりス レプトン混合についての知見が得られ、その背後にある 理論について重要な糸口を与えることになる。 では、 で超対称粒子が発見されない場合はどうだ ろうか？ 次の二つの可能性が考えられる。一つは、 で到達可能なエネルギー領域を越えたスケールに超対称 粒子が存在する可能性である。精密フロンティア実験では 大強度加速器を用いることで高エネルギーフロンティア実 験は到達できないエネルギースケールの物理も探ること

図 の超対称性大統一理論による の 分岐比。原図は参考文献 より。 宇宙のバリオン数非対称のシナリオを与える有力な理論 である 。ニュートリノの湯川相互作用ではフレー バー対称性が破れており、この相互作用がスレプトンの 質量項に対してフレーバーを破る量子補正を生む 。こ の理論では、図 に示すように 現象の大きさはこ の重い右巻きニュートリノの質量に依っているので、そ の分岐比の測定により右巻きニュートリノ質量を決定で きることが示唆されている 。 このように 過程の分岐比は、超対称性と力の大 統一やシーソー機構により大きく向上する。したがって、 過程の探索はこれらの理論の検証に大きな役割を 果たすと期待されている。 図 超対称性シーソー理論による 過程の分 岐比の計算。実験の上限値は 実験のデータ で ある。上線より の場合の結果である。参 考文献 より。

との関係

荷電レプトンのレプトンフレーバー非保存過程の探索 など、保存則や対称性の破れを高い精度で検証すること で超対称性などの高いエネルギー領域の物理を探ること ができる。この研究手法を精密フロンティア実験と呼ぶ。 素粒子物理学の発展において、精密フロンティア実験は、 や に代表される高エネルギー加速器を用いた 高エネルギーフロンティア実験と相補的な役割を果たし てきた。現在建設中の ではヒッグス粒子と超対称性 粒子の両方が発見されると期待されている 。 で 超対称粒子が発見されれば、 過程の探索によりス レプトン混合についての知見が得られ、その背後にある 理論について重要な糸口を与えることになる。 では、 で超対称粒子が発見されない場合はどうだ ろうか？ 次の二つの可能性が考えられる。一つは、 で到達可能なエネルギー領域を越えたスケールに超対称 粒子が存在する可能性である。精密フロンティア実験では 大強度加速器を用いることで高エネルギーフロンティア実 験は到達できないエネルギースケールの物理も探ること

超対称性理論による予言の例

SUSY-GUT(SU5)

COMET PRISM

2010年2月24日水曜日

B(µ− + Al → e− + Al) < 10−16

COMET

• ミューオン蓄積リングなし
• 遅い取り出しによるパルス陽子ビーム
• J-PARC ハドロン実験室を検討
• 第一段階の実験

J-PARCにおけるµ-e転換探索実験の提案

PRISM

• ミューオン蓄積リングあり
• 速い取り出しによるパルス陽子ビーム
• ハドロン実験室または新しい実験室を検討
• 第二段階の実験

B(µ− + Ti → e− + Ti) < 10−18

proposal提出、J-PARC E21 LoIを提出

2010年2月24日水曜日

Muon - Electron Conversion

1s state in a muonic atom Neutrino-less muon nuclear capture (=μ-e conversion)

B(µ

 N  e  N) = (µ N  eN)

(µ

N  N ')

nucleus

µ

muon decay in orbit

nuclear muon capture

µ

 + (A, Z)  µ + (A,Z 1)

µ

  e 

µ

 + (A, Z)  e  + (A,Z)

signal :

mµ − Bµ ∼ 105MeV

2010年2月24日水曜日

Production Solenoid Transport Solenoid Detector Solenoid Proton Target Target Shielding Muon Beam Collimators Tracker Calorimeter Pions Electrons Muons Muon Stopping Target

COMET and Mu2e(MECO-type):

B(µ− + Al → e− + Al) < 10−16

Solenoid channel Stop µ- at the stopping targets. ID single electron from the target and measure its energy precisely. Suppress backgrounds strongly.

Stopping Target Production Target

The MECO type experiments have some limitation on achievable sensitivity and physics studies.

2010年2月24日水曜日

Limits for the MECO type experiments

• A signal sensitivity < 10-17 would be impossible with the MECO-type

experiments.

• large flux of prompt backgrounds. ex. pion radiative decay etc
• thick stopping target makes insufficient electron energy

resolution.

• Measurement efficiency with high-Z stopping target would be poor.

2010年2月24日水曜日

Decay-in-Orbit Background

• To distinguish the signals from the DIO backgrounds, electron energy must be

reconstructed with sufficient resolution. The present resolution is dominated by the distribution of the energy loss in the stopping target.

BR~10-16 COMET

2010年2月24日水曜日

Decay-in-Orbit Background (cont.)

• To achieve a signal sensitivity < 10-18, we need improve the energy resolution.
• Thinner stopping targets with a sufficient muon stopping efficiency is
• necessary. --> Mono-energetic muon beam is useful!

BR~10-18 PRISM

2010年2月24日水曜日

Limits for the MECO type experiments

• A signal sensitivity < 10-17 would be impossible with the MECO-type

experiments.

• large flux of prompt backgrounds. ex. pion radiative decay etc
• thick stopping target makes insufficient electron energy

resolution.

• Measurement efficiency with high-Z stopping target would be poor.

2010年2月24日水曜日

Target dependence of µ-e conversion

• Once a signal of the µ-e

conversion is observed, one can obtain information on models of the new physics, by changing the target material, even if µ→eγ is not observed.

• Contribution of different type of

LFV operators is different from each nuclei.

• Maximal in the intermediate

nuclei

• Significantly Different Z

dependence for heavy nuclei

• BUT, higher Z target makes

shorter µ lifetime in a muonic atom.

• Al : 880ns, Ti：329ns, Pb : 82ns

20 40 60 80 1 2 3 4

Z B e;Z B e;Al

V

(Z)

V(γ) S D

V.Cirigliano et al, Phys. Rev. D 80 013002 (2009)

Z-like vector Photon-like vector Photonic dipole Higgs-like scalar

Al Ti Pb

2010年2月24日水曜日

Time distribution of backgrounds and signal

• The muons stopped in the muon-

stopping target have the lifetime of a muonic atom. The time distribution

• f muon decays with the distribution
• f muon arrival timing is shown in

Figure.

• Huge prompt BG exists just after the

prompt timing. BUT Some beam- related backgrounds would come even after the prompt timing. Therefore, the measurement time window is selected to start after the prompt timing.

• The time window acceptance

depends on the muon lifetime.

Arbitrary Unit

1

Prompt Background Stopped Muon Decay Main Proton Pulse 10 p/pulse

(µs) Time

100 ns 1.1 µs

Arbitrary Unit

1

Prompt Background Stopped Muon Decay Main Proton Pulse 10 p/pulse

Timing Window

(µs) Time

Signal 100 ns 1.1 µs

T1 Tp Al high-Z

2010年2月24日水曜日

Timing window selection efficiencies for COMET

Proton Pulse Interval (ns)

500 1000 1500 2000 2500 3000

Efficiency

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Time (ns)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Number of Events (a.u.)

200 400 600 800 1000

• µ

Time (ns)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Number of Events (a.u.)

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

• µ

Proton Pulse Interval (ns)

500 1000 1500 2000 2500 3000

Efficiency

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Proton Pulse Interval (ns)

500 1000 1500 2000 2500 3000

Efficiency

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Time (ns)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Number of Events (a.u.)

100 200 300 400 500

• µ
• effi. = 0.37
• effi. = 0.20
• effi. = 0.01

Al (τ=864ns) Ti (τ=330ns) Au (τ=88ns)

t1=700ns, Tp=1314ns

To measure BR with a high-Z target, the beam related backgrounds (pion radiative decay, beam flash etc) must be highly suppressed.

2010年2月24日水曜日

Summary of limits for the MECO type experiments

• A signal sensitivity < 10-17 would be impossible with the MECO-type

experiments.

• large flux of prompt backgrounds. ex. pion radiative decay etc
• thick stopping target makes insufficient electron energy

resolution.

• Measurement efficiency with high-Z stopping target would be poor.

A mono-energetic and pure muon beam can solve these issues. The next generation µ-e conversion experiment with PRISM!

2010年2月24日水曜日

Further Background Rejection to < 10-18

Beam-related Background Extinction at muon beam Pion background long muon beam-line Cosmic-ray background low-duty running

muon storage ring fast kickers 100 Hz rather than 1 MHz

Muon DIO & Beam flush narrow muon beam spread

1/10 thickness muon stopping target

pure muon beam mono-energetic muon beam

2010年2月24日水曜日

High intensity

intensity : 1011-1012µ±/sec beam repetition :100-1000Hz kinetic energy : 20MeV(=68MeV/c)

Narrow energy spread

kinetic energy spread : ±0.5-1.0MeV

Less beam contamination

contamination < 10-18

PRISM : Phase Rotated Intense Slow Muon source PRIME : PRIsm Muon to Electron Conv. Experiment

sensitivity of µ→e ∼ 10-18

2010年2月24日水曜日

To Make Narrow Beam Energy Spread

• A technique of phase rotation is

adopted.

• The phase rotation is to

decelerate fast beam particles and accelerate slow beam particles.

• To identify energy of beam

particles, a time of flight (TOF) from the proton bunch is used.

• Fast particle comes earlier and

slow particle comes late.

• Proton beam pulse should be

narrow (< 10 nsec).

• Phase rotation is a well-

established technique, but how to apply a tertiary beam like muons (broad emittance) ?

2010年2月24日水曜日

Japanese staging plan of mu-e conversion

B(µ− + Al → e− + Al) < 10−16

1st Stage : COMET

• without a muon storage ring.
• with a slowly-extracted pulsed proton beam.
• doable at the J-PARC NP Hall.
• regarded as the first phase / MECO type
• Early realization

2nd Stage : PRISM/PRIME

• with a muon storage ring.
• with a fast-extracted pulsed proton beam.
• need a new beamline and experimental hall.
• regarded as the second phase.
• Ultimate search

B(µ− + Ti → e− + Ti) < 10−18

2010年2月24日水曜日

5 m

Capture Solenoid Matching Section Solenoid

RF Power Supply RF AMP RF Cavity C-shaped FFAG Magnet Ejection System Injection System

FFAG ring Detector

PRISM : Super-muon source PRIME : µ-N→e-N Search with PRISM

Developed

2003-2009

• Intensity : 1011-1012µ±/sec, 100-1000Hz
• Energy：20±0.5 MeV (=68 MeV/c)
• Purity：π contamination < 10-20

2010年2月24日水曜日

PRISM-FFAG

• Functions
• makes monoenergetic muons：phase rotation
• reduces π in the beam：long flight length
• Requirements & R&D items
• Large acceptance FFAG-ring
• Horizontal：38000 π mm mrad
• Vertical ：5700 π mm mrad
• Momentum： 68MeV/c +- 20%
• High field grad. RF system (170kV/m = 2MV/turn)
• Quick phase rotation
• ~1.5µs

2010年2月24日水曜日

6-sector PRISM-FFAG at RCNP, Osaka Univ.

解体済み：3月1日から西実験室へ移動

2010年2月24日水曜日

PRISM-FFAG開発

• ミューオン蓄積リングFFAGの光学設計
• 大口径FFAG電磁石の開発
• 6台のFFAG電磁石
• 3台の磁場測定
• FFAG電磁石1台を用いた光学評価試験
• 高電場勾配高周波加速システムの開発
• 170kV/m sinusoidal @ 5MHz by テスト空洞
• 100kV/m sinusoidal @2.1MHz by PRISM空洞
• ビームモニター開発
• 6-cell FFAGリングの建設
• ビーム軌道解析
• α粒子による位相空間回転実証試験

23

P r

• t
• n

S y n c h r

• t

r

• n

R F S y s t e m

50 100 150 200 250 2 4 6 8 1 1 2 Fr e q u e n c y ( M H z ) F i e l d G r ad i e nt ( k V / m )

SA T U N E MI M A S CE RN P S B CE RN P S AG S IS I S KE K BS T R KE K P S J-PARC 50G J-PARC 3Ge 5 Ge V M R KE K-H G C PR I S M

J-PARC MA Cavities (High Duty)

sinusoidal with Test-Cavity sinusoidal with PRISM-Cavity for alpha-ray

Δp /p ：2%

• num. of turn ：6

time ：1.5μs μ survival rate：56% 2010年2月24日水曜日

PRISM-RF goal

P r

• t
• n

S y n c h r

• t

r

• n

R F S y s t e m

50 100 150 200 250 2 4 6 8 1 1 2 Fr e q u e n c y ( M H z ) F i e l d G r ad i e nt ( k V / m )

SA T U N E MI M A S CE RN P S B CE RN P S AG S IS I S KE K BS T R KE K P S J-PARC 50GeV MR J-PARC 3GeV RCS 5 Ge V M R Up g r a d e KE K-H G C PR I S M

J-PARC MA Cavities (High Duty)

Field gradient of PRISM-FFAG

sinusoidal achieved with Test-Cavity sinusoidal with PRISM-Cavity for alpha-ray achieved

sawtooth

by Hybrid PRISM-Cavity for muon beam

2010年2月24日水曜日

How to realize the 4MHz sawtooth RF

• Requirements on RF system for PRISM-FFAG
• high field gradient：＞170kV/m @4MHz
• Sawtooth-RF
• Magnetic Alloy cores have been adopted
• Q＜１：enable to add higher harmonics
• large aperture is possible
• Adjust the frequency
• Solution 1：cut core
• used in RF cores for J-PARC MR
• too expensive for PRISM-cores due to their size
• Solution 2：hybrid RF system
• tested for J-PARC RCS
• can use for PRISM-cavities

2010年2月24日水曜日

Hybrid RF system

• Proposed by A. Schnase.
• Combination of MA cavity with a resonant circuit composed by inductor and

capacitor.

• Developed for J-PARC RCS cavities.

f=1/2LC 1/L=1/Lcore+1/Lind J-PARC: add C and L to control Q and f PRISM : add L to control f Q=Rp/L Rp: shunt

2010年2月24日水曜日

Hybrid RF system

Parallel inductor for J-PARC Inside of PRISM AMP

This will be tested in this year.

2010年2月24日水曜日

Apparatus for the test of phase rotation

第 章 位相空間回転実験 図 位相空間回転実験でのセットアップ。α線源 スリット をそれぞれ図に示す位置に設 置した。

241Am, 3MBq

with Al foil SSD φ2cm, σE = 27 keV f=1.916 MHz Vpp=33 kV

αs are accelerated/ decelerated by RF. Degraded by an Al foil. Momentum selection by a slit. αs stop. SSD can measure their energy and arrival timr relative to the RF phase.

2010年2月24日水曜日

Comparison b/w data and simulation

(ns)

ref

t-t

• 200
• 150
• 100
• 50

50 100 150 200

E (MeV)

1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5

Initial after 1 turn after 2 turn after 3 turn after 4 turn after 5 turn after 6 turn

h0

図 α線の位相空間回転のシミュレーションと測定結果の比較。高周波電圧 の場 合。ただし、測定結果のエネルギー変化量は 倍して重ね合わせている。

phase rotation of α in the 6-cell FFAG

Measured data：Edata x 1.25 Simulation

Initial phase １turn ２ ３ ４ ５ ６

2010年2月24日水曜日

5 m

Capture Solenoid Matching Section Solenoid

RF Power Supply RF AMP RF Cavity C-shaped FFAG Magnet Ejection System Injection System

FFAG ring Detector

Issues related on the PRISM-FFAG

Injection/Extraction Cost of RF system Matching with the solenoids

2010年2月24日水曜日

PRISM Task Force

• The PRISM-FFAG Task Force was proposed and discussed

during the last PRISM-FFAG workshop at IC (1-2 July’09).

• UK, JP, US, EU
• The aim of the PRISM-FFAG Task Force is to address the

technological challenges in realizing an FFAG based muon-to- electron conversion experiment,

• but also to strengthen the R&D for muon accelerators in the

context of the Neutrino Factory and future muon physics experiments.

• It was proposed to achieve a conceptual design of the PRISM

machine at the end of 2010/beginning 2011.

2010年2月24日水曜日

PRISM Task Force (cont.)

• The following key areas of activity were identified and proposed to

be covered within the Task Force:

• - the physics of muon to electron conversion,
• proton source,
• pion capture,
• muon beam transport,
• injection and extraction for PRISM-FFAG ring,
• FFAG ring design including the search for a new improved

version, ->JB, Thoma

• FFAG hardware R&D for RF system and injection/extraction

kicker and septum magnets. -> C.Ohmori

• Monthly video meetings and biannual meeting
• injection/extraction
• new lattices with insertion/racetrack
• RF issues
• Please join! j.pasternak@imperial.ac.uk

2010年2月24日水曜日

MUSICにおけるPRISMなどの開発

2010年2月24日水曜日

N

搬入口 位相空間回転システム

偏向電磁石

実験用スペース 3 m x 3 m

パイオン崩壊 ミューオン輸送部システム

陽子ビーム軸

パイオン捕獲部システム

15°

阪大核物理研究センター西実験室 案

MUSIC (=MUon Science Innovative Commission)

muon yield estimation 0.4 kW (400MeV, 1μA protons) 109 muons/sec (for MUSIC)

Nuclear and particle physics, material science chemistry, and accelerator R&Ds will be possible.

We are also considering to finalize the 10-cell PRISM-FFAG R&D using the muon beams in the MUSIC project.

This parts will be constructed and

• perated in 2010.

2010年2月24日水曜日

MUSICミューオンビーム使ったR&D

• MUSICはCOMETやPRISMのパイオン捕獲＆ミューオン輸送ラインのプロトタイプ

と考えることもできる。

• 捕獲ソレノイド磁場：MUSIC=3.5T, COMET/PRISM=5T
• 輸送ソレノイド：ほとんど同じデザイン
• 供給されるミューオンのエネルギー＆時間分布が同じ
• ミューオンを使った加速器開発ができる有望な施設
• COMETやPRISMの開発＆模擬試験が可能
• パイオン生成量の検証実験
• 停止標的からな背景事象の研究
• ミューオンX線測定による分岐比規格化の試験
• ミューオンビームを使ったPRISMの開発
• ミューオンの位相空間回転
• 入射と取り出し機器の開発と試験
• ミューオンビームのイオン化冷却
• ミューオンの加速試験

2010年2月24日水曜日

ビームダンプ

10000

偏向電磁石 陽子ビーム軸

ステアリング電磁石

15°

MUSIC全体のレイアウト案

2010年2月24日水曜日

MUSIC全体のレイアウト案

10000

偏向電磁石 陽子ビーム軸

15°

COMET PRISM

2010年2月24日水曜日

MUSICミューオンビーム使ったR&D

• MUSICはCOMETやPRISMのパイオン捕獲＆ミューオン輸送ラインのプロト

タイプと考えることもできる。

• 捕獲ソレノイド磁場：MUSIC=3.5T, COMET/PRISM=5T
• 輸送ソレノイド：ほとんど同じデザイン
• 供給されるミューオンのエネルギー＆時間分布が同じ
• ミューオンを使った加速器開発ができる有望な施設
• COMETやPRISMの開発＆模擬試験が可能
• パイオン生成量の検証実験
• 停止標的からな背景事象の研究
• ミューオンビームを使ったPRISMの開発
• ミューオンの位相空間回転
• 入射と取り出し機器の開発と試験
• ミューオンビームのイオン化冷却
• ミューオンの加速試験

2010年2月24日水曜日

Muon cooling in the PRISM-FFAG

• the first attempt to study

a racetrack FFAG ring cooler

2010年2月24日水曜日

Motivation of This Study

• The 6D-emittance reduction of a muon beam is essential for future

neutrino factories and a muon collider. No realistic design for the muon cooling section, however, have been designed yet.

• A cooling section using a ring (ring cooler) would be more cost

effective than that of with a straight channel, science a number of RF and absorbers would be reduced.

• Some designs for the ring cooler have been proposed. These designs

have some issues must be solved:

• injection/extraction and its kicker system,
• window of absorbers and RFs.
• This study is the first attempt to design a realistic ring cooler using the

following ideas.

• racetrack FFAG
• FFAG has a large transverse acc. and dispersion in horizontal.
• superfluid helium wedge absorbers

2010年2月24日水曜日

Ionization Cooling in FFAGs

• There are few simulation studies for the ionization cooling in

FFAG rings. Needs more studies.

• in a nufact-j FFAG ring
• (superconducting FFAG for 0.3-1.0GeV/c muon acceleration)
• H Schonauer, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 29 (2003) 1739
• H. Schonauer, NIM A503 (2003) 318–321
• Thin absorbers in the symmetry plane of all RF cavity gaps were

inserted to the ring.

• in the PRISM-FFAG ring by H.Kirk ???

Table 1. Comparison of cooling performances of Be, Li and LiH2 windows. Cooling factor of rms normalized Figure of merit: muon emittance transmission/cooling Energy gain per turn Muon Material thickness (max.) (MeV) transmission Horizontal Vertical Horizontal Vertical None 62.7 0.965 1 1 0.965 0.965 Be 7 mm (old reference Nufact’01) 25 0.91 0.959 0.856 0.944 1.057 Be 7 mm (new reference) 25 0.91 0.985 0.909 0.928 1.006 LiH2 13.3 mm 20 0.89 0.892 0.799 0.992 1.107 LiH2 10.6 mm 30.3 0.93 0.974 0.883 0.65 1.048 Li 20 mm 21.4 0.89 0.825 0.756 1.085 1.184 Li 10 mm 40.6 0.95 0.95 0.91 0.991 1.042

2010年2月24日水曜日

Racetrack FFAG for Muon Cooling

Just an illustration for a conceptual design

kicker magnets for injection/extraction wedge absorber RF cavity FFAG magnet cooling section matching section straight section

2010年2月24日水曜日

Racetrack FFAG for Muon Cooling

Just an illustration for a conceptual design

kicker magnets for injection/extraction wedge absorber RF cavity FFAG magnet cooling section matching section straight section

in the following slides, I will show the 1st simulation result of the PRISM-FFAG based cooling ring to study the cooling section of this racetrack FFAG cooler.

2010年2月24日水曜日

PRISM-FFAG Based Ring Cooler

• This presentation shows a result of a ring cooler based on PRISM-FFAG lattice as the first trial
• f my study. This is a simulation study for the cooling section of the racetrack FFAG cooler.

The magnetic field of the original PRISM-FFAG is multiplied by 4.0.

Circumstance (m) 38 Number of cells 10 Field index k 4.6 F/D ratio 6.0 Maximum field (T) 1.6 Central momentum (MeV/c) 308 Magnet type DFD triplet Magnet aperture H:100 cm x V: 30 cm Horizontal tune 2.73 Vertical tune 1.58

2010年2月24日水曜日

Param of PRISM-FFAG Based Ring Cooler

Circumstance (m) 38 Total number of cells 10 Cell with RF cavities and absorbers 8 Central momentum P0 (MeV/c) 308 Number of wedge absorbers per cell 4 Wedge thickness on r0 for P0(cm) 8.672 Wedge opening angle (degree) 3.86 Absorber material LH2 Number of cavities per cell 4 Cavity length (cm) 28.75 RF gradient (MV/m) 8.709

2010年2月24日水曜日

Events for 10 µ+ tracked up to 15 turns µ+

2010年2月24日水曜日

Result

Initial after 4 turns after 8 turns after 12 turns

No cooling effect is observed with PRISM-FFAG based ring. Since, probably, β function is too large, angler acceptance is not enough. Need new lattice design.

2010年2月24日水曜日

Summary

• PRISM provides a solution to improve the µ-e conv. sensitivity less than 10-17

adopting a muon storage ring, which make mono-energetic and pure muon beam. A staging scenario of mu-e conversion experiment (COMET - PRISM) was proposed in Japan.

• We had R&D program on the muon storage ring from 2003 to 2009. Many

successful outcomes were achieved.

• large aperture FFAG,
• high field gardened RF system
• 6-cell FFAG and phase rotation test.
• The collaboration and task force for the PRISM-FFAG were created. We will

continue to study the PRISM-FFAG to realize the ultimate µ-e conv. experiment.

• PRISM-FFAG based ring cooler have been studied. New lattice design is necessary

to realize a racetrack FFAG ring cooler.

• We can do R&D for PRISM, NuFact, MuCollider etc. with the muon beam at

MUSIC.

• Muon phase rotation.
• Hybrid RF to realize the 4MHz sawtooth
• Injection and extraction from/to solenoid with muons.
• Muon acceleration?

2010年2月24日水曜日