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J-PARCセンター・低温セクションにおける研究開発
概要
超伝導低温工学センターは素粒子原子核研究所?低温グループと共同でJ-PARCセンター・低温セクションを構成・運営しています。J-PARCセンター・低温セクションはJ-PARCセンターにおいて液体ヘリウムや液体窒素等の極低温冷媒の供給サービスを行うとともに、希少資源であるヘリウムの回収を行っています。またニュートリノ実験施設の超伝導磁石システムやハドロン実験施設のSKS超伝導磁石の管理運用を行っています。その他、J-PARC内での各種極低温超伝導システムの開発・建設・管理・運用に関する支援も行っています。特にJ-PARCの将来計画に対する研究開発業務は現在低温セクションの業務の大きな根幹となっています。ここではこれらの研究開発に関して簡単に紹介します
・MLF超低速ミュオンビームライン用超伝導磁石
J-PARC物質生命科学実験施設に新設される超低速ミュオンビームラインはeV~keV程度の超低速な大強度正ミュオンを生成して表面物性の研究等に供するための設備です。この設備には最初に大強度陽子からミュオンを生成する一次ターゲットから超低速ミュオンを生成する二次ターゲットまで大強度ミュオン輸送する超伝導磁石システムが必要になっています。低温セクションは磁石システムの開発および建設の支援を行っています。この磁石システムはミュオン輸送ソレノイドと集束ソレノイドから構成されています。特に輸送ソレノイドは出入り口に約45度の湾曲部を持つ長さ約7mのS字状湾曲ソレノイドになっていて、構造設計やクエンチ保護設計に特別な配慮が必要でした。また入り口部は一次ターゲットを直接望む位置にくるため高い耐放射線性も求められています。低温セクションはこれらの開発項目に関して特に大きな貢献をしています。
・ミュオン微細構造測定用超伝導磁石
J-PARCミュオン科学研究施設では、世界最高強度のパルス状ミュオンを用いたミュオニウム（正ミュオンと電子の束縛系）の超微細相互作用の精密測定実験が計画されています。この実験では、量子電磁気学の精密検証およびミュオンの質量を世界最高精度で決定する事を目指しています。そのためには、20cm x 20cm x 30cm の回転楕円体内で0.6ppmの磁場均一度を有する超伝導電磁石が必要とされています。低温セクションでは、この超伝導ソレノイドの開発を進めています。
図1 HFS実験用磁石概略図
・ミュオンg-2およびEDM測定用超伝導磁石
MLFのミュオン科学研究施設においては、ミュオンの異常磁気モーメントおよび電気双極子モーメントの精密測定実験が計画されています。この実験では、異常磁気モーメントをこれまでの精度・0.5 ppmを上回る、0.1 ppm以下の精度で測定する事を目標にしています。そのような超高精度測定を行うための重要な実験装置の一つとして、空間磁場均一度が非常に高い超伝導ソレノイドが必要とされています。この磁石では、内径28.3 cm、外径38.3 cm、高さ10cmという広い空間にわたって、局所的な磁場均一度が1 ppm以下である事が要求されています。低温セクションでは、この磁石システムの開発支援を行っています。特に、地面振や冷凍機振動が磁場性能に与える影響を評価し、振動により発生する誤差磁場を可能な限り減少させる低振動再凝縮冷凍システムの開発や、製作した磁石の磁場を正確に測定するシステムの開発に貢献しています。
図2 J-PARC g-2計画概略図
・COMET超伝導磁石システム
J-PARCに提案されているミューオン電子転換探索実験(COMET)では、J-PARC/MRからの大強度陽子ビームを活用して、10-16の分岐比（現在の実験リミットのおよそ10-4倍）での探索実験を計画しています。この実験では最大磁場~5T、最大口径1.3m、長さ約?mの超伝導磁石システムが必要となります(図3)。特にミューオンを大量に生成するために必要な捕獲ソレノイドはシステムの最大磁場と最大口径を持つだけでなく、大強度陽子ビームが衝突する生成ターゲットをその中心に持つため、高い放射線環境にさらされます。低温セクションでは主にこの磁石システムの開発業務を行っています。特に耐放射線性の研究は、京大原子炉実験所の極低温中性子照射システムを用いた中性子照射等、先進的な研究開発を行っています。
図3 開発中の磁石（変位計算結果）
補足説明
ミュオン：標準模型における第2世代の荷電レプトン、ミューオン、ミュー粒子
関連するWebページ
J-PARC http://www.j-parc.jp/
超伝導低温工学センター http://cry3-aps2.kek.jp/~cryoweb/index.htm
関連する研究グループ
J-PARCセンター・低温セクション
KEK超伝導低温工学センター http://cry3-aps2.kek.jp/~cryoweb/index.htm
KEK素粒子原子核研究所
KEK物質構造研究所ミュオン科学研究系
関連する研究施設
J-PARC
