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

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 .

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

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 .

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

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 .

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%

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

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 .

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 %

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 .

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

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

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

?

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 .

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 .

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.

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 .