Direct Measurement of Tune Spread Distribution in J-PARC MR

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大強度陽子加速器施設(J-PARC)の主リング(MR)では、大統計で新物理を探索するニュートリノ・ハドロン実験のため、陽子ビームの大強度化の研究が進められている。大強度化には、機器のアップグレードだけでなく、機器の放射化を抑えるためにビームロスの抑制が重要である。ビームはMRを数十万周するため、ビームの横方向の周回振動数(チューン)に依存する共鳴が起きる。MRでは主に空間電荷効果によってチューンが分布を持ち、共鳴条件に抵触するチューンを持った粒子が失われ、ビームロスの原因となる。本研究では、チューン広がり分布の定量評価、各共鳴の影響評価を通じて、ビームロスの低減を目標とした。各共鳴ごとに励起源を特定し、それぞれに合った手法で共鳴の抑制手法を考慮した。まずは3次構造共鳴(nx-2ny=-21)の補正を行った。この共鳴は3回対称な構造をしているMRにおいては強め合いの共鳴であり、影響が大きい。私は加速器の対称性に注目することで、位相進みを適切に調整すればこの共鳴を補正できることを発見した。この共鳴補正手法はシミュレーションだけでなく、3通りの実験によっても確認した。次に現在のニュートリノ向け運転において、エラーのない条件下で最も強い影響を持っている共鳴は空間電荷効果が励起する8ny=171であることを突き止めた。これはチューン広がり分布の評価により、ビームロスの原因となるビームの裾に位置する粒子がこの共鳴に抵触することから判明した。さらに、チューンは固定したままビーム光学系を大きく変化させることによって、この共鳴の影響を大きく抑制できることを発見した。測定においても、新しいビーム光学系を採用した場合、ビーム入射期間におけるロスが16%低減することを確認した。