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Anti- Muonium の分光？ H ライン WS 18-19/May/2012

Anti- Muonium の分光？ H ライン WS 18-19/May/2012. J-PARC ミュオンセクション 河村　成肇. イントロ. Anti-Mu 分光 CPT テスト（たぶん、レーザー分光） AntiMu = m - e + Ultra Slow m - を作ることと等価？ ⇒ US m - ができれば、 m - の g-2 、 EDM 、 HFS Mu - AntiMu 変換 cLFV 、 | ΔLi | = 2 のプロセス. Mu- AntiMu 変換. NuFact’00 青木. 物理のイントロ.

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Anti- Muonium の分光？ H ライン WS 18-19/May/2012

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Presentation Transcript

  1. Anti-Muoniumの分光？HラインWS 18-19/May/2012 J-PARC ミュオンセクション 河村　成肇

  2. イントロ • Anti-Mu分光 • CPTテスト（たぶん、レーザー分光） • AntiMu = m-e+Ultra Slow m-を作ることと等価？⇒US m-ができれば、 m-のg-2、EDM、HFS • Mu- AntiMu変換 • cLFV、|ΔLi| = 2のプロセス

  3. Mu-AntiMu変換

  4. NuFact’00 青木 物理のイントロ • Lepton Flavor Violation (LFV) • |DLi| = 1 • |DLi| = 2 SUSY-GUT Exotic processes

  5. NuFact’00 青木 PSIでの実験（SINDRUM II） • Setup Anti-Muの残りの陽電子（水素様原子なのでT~13eV） m-のβ崩壊からの高エネルギー電子

  6. NuFact’00 青木 PSIでの実験（SINDRUM II） • 結果（3460h、6×1010Mu） BGレベルが精度を決めていて、これ以上、統計を上げても、ゲインは見込めない。 とは言え、Beyond SM理論に対して拘束を与える

  7. Pulseの特性を生かすには • SINDRUM II • DCで最高のPSIのビームを4年間使用 • 実験のsystematicが実験精度を決めている • この精度を超えるには新たな実験手法が必要 • Pulseの特性を生かした実験手法は？ • ビームとの同期によるBGの低減 • Accidental coincidenceの可能性は増すので、SINDRUM IIの真似ではダメ、一工夫が必要

  8. NuFact’03 松田 Ultra Slow muons • Slow muons : muons which are (re-)accelerated from the muons which are almost at a rest. • Beam energy is tunable, and its spread is very small. a The range in the material is tunable down to sub mm. • Emittance is very small. a Small sample can be used. • New application of mSR for thin films • Possible application towards future muon/neutrino sources

  9. NuFact’03 松田 Two methods to generate slow muon beam • Cryogenic moderator method (PSI) • Use a layer of solid rare gas as a moderator. • Initial energy is 10-100eV, and its spread is around 10eV. • Time structure is determined by initial beam. • Laser resonant ionization method • Obtain slow muons by ionizing thermal muoniums emitted from a hot tungsten film. • Initial energy is around 0.2eV, and its spread is less than 1eV. • Time structure is determined by laser timing. g Gives better time resolution for pulsed beam. gPossible use for Mu anti-Mu conversion experiment as a sensitive detection method of anti-Mu and background suppression.

  10. NuFact’03 松田 Slow-muon beam-line at RIKEN-RAL

  11. NuFact’03 松田 Efficiency of slow muon generation@RIKEN-RAL Observed slow muon signal : 3.3 m/sec (MCP efficiency 66%) a 5.0 m/sec (Decay in flight 43%) a 8.6 m/sec (Transport efficiency unknown. assume 100%) a >8.6 m/sec at the source Initial surface muon beam : 1.0x106m/sec Efficiency 8.6/1.0x106 = 8.6x10-6 (still low…)

  12. Mu-AntiMu観測への応用 • Slow opticsを逆極性で使えば、Anti-Muを分離し、そのm-を輸送可能。 • レーザーとの同期で低BGm-の直接観測は最も信頼できる手法の一つ • 難しさも • e+の検出は厄介？（不可能ではない） • どのタイミングでレーザーを打てばよい？ • m-がビームにコンタミするとかなり厄介⇒軸収束のUラインよりHライン向き • Muの生成量をかなり必要

  13. ミュオンビーム強度 • 崩壊ミュオンビームライン（１ＭＷ時） • 30MeV/c 3×107m+/秒 6×105m-/秒 • 60MeV/c 5×106m+/秒 1×106m-/秒 • 120MeV/c 2×107m+/秒 1×107m-/秒 • 大立体角ミュオンビームライン • 30MeV/c 4×108m+/秒 1×107m-/秒 • Hライン • 30MeV/c 1×108m+/秒 2×106m-/秒？

  14. Anti-Muの直接生成

  15. Anomaly in m- yield • Ｄ２で観測されたMuon intensity =yield(unknown) × transmission efficiency(known)Transmission eff. depends on the momentum and source distribution. Very preliminary HARP Eur. Phys. J. C 53 177 (2008) P:3GeV/c ¹ 3GeV p- p+ 0.0 0.0 0.2 0.2 0.4 0.4 0.6 0.6 Pp=82.1 Pp=127.6 崩壊m-(p-)のyieldがm+(p+)とほぼ同程度、3GeVの効能？

  16. Anti-Muの直接生成 • 超低速m-をtrapされたe+内へ導入 • 超低速m-なんてどこにもない • J-PARC MUSEはm-のyieldがPSIなどと比べて、高いことが特徴 • 生かさない手はない • m-の超低速化 • Brute Force的な方法か？Exoticな方法か？

  17. 何故、m-の低速化は難しい？ m+ m- Formation of muonic atom ⇒ nuclear capture (high-Z) or free decay (low-Z) Thermal muonium evaporation from hot W surface ⇒ Laser Resonant Ionization ⇒ Ultra slow m+ beam A negative muon forms a muonic atom, and does not come out of material. ⇒ No slow m- by LRI

  18. m-の超低速化 Combination of cyclotron trap and frictional cooling is good. Moderator design and material is important. m- Well studied magnetic field design is required. Frictional cooling Low loss extraction is a big issue.Pulse electric kicker is considered. Acceleration by e-field and deceleration by moderator Cyclotron trap (5~30 keV) ~ 0.3% (PSI record) Frictional cooling (~1keV) ~ 30% (100 keV→2keV) さらに、もう１段階、何かが必要

  19. テスト実験 To reduce the effect of gas on beam, Helium is used for GEM. GEM and Moderator should be in a chamber. GEM for tracking Frictional cooling chamber 具体的なことは全てこれから

  20. まとめ • Mu-AntiMu変換 • 効率的なMuの生成がキー • AntiMu直接生成 • m-の低速化がキー • どちらも、after 3実験での課題 • でも、準備は今から必要 • 刺激的なアイデアと協力者を募集中

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