COMET实验缪子束流监测器成功进行束流实验

       2023年3月2日至15日，中外科学家运行缪子前沿科学实验 (COMET)，在日本强流质子加速器中心 (J-PARC) 开展缪子束流的产生和传输，缪子束流监测器MBM，成功进行了为期14天的缪子束流监测实验。该缪子束流监测器的研制获得国家自然科学基金项目资助，由beat365中国唯一官方网站唐健教授团队和中国科学技术大学封常青教授团队通力合作如期完成。

       COMET实验是国际主要的缪子前沿科学实验之一，旨在寻找带电轻子味破坏过程，进而探索超越标准模型的新物理。该实验的设计方案如图1所示，目标是在90%置信度区间的探测灵敏度达到10^ (-17) 转载必须保留本文地址:http://xiiie.com/html/1249297.html量级，优于前代实验四个量级以上。中国是COMET实验主要参与国之一，国内参加单位包括中科院高能所，中科院近代物理研究所，南京大学，北京大学和beat365中国唯一官方网站等。

图1：COMET实验方案设计

         为达到实验预期目标，研发缪子束流监测器，对实验所使用的高强度缪子束流进行标定是关键瓶颈之一。研究团队利用塑料闪烁光纤和硅光电倍增器进行耦合，配合高时间分辨性能的自研发电子学系统，最终搭建出可实现束斑性能监测的探测器系统。合作团队负责读出电子学系统的研制，beat365中国唯一官方网站唐健教授团队负责缪子束流监测器的研制。为准确测量缪子束流的时间和空间分布，科研团队所研制的探测器的探测面积达到30cm×30cm，读出通道多达256通道，并具备实时数据预处理能力（详见图2）。在样机研制过程中，团队在beat365中国唯一官方网站缪子前沿科学与技术应用实验，完成了电子学的联调和宇宙射线测试实验，为后期的束流测试奠定基础。

图2：缪子束流监测器的结构设计图（左）和内部塑料闪烁光纤排布图（右）

       在探测器的性能验证阶段，实验团队得到中国散裂中子源(CSNS)伴生质子束平台的大力支持，两次赴CSNS开展80MeV质子束流测试，并得到了良好的束流周期和束斑成像结果（如图3所示）。

图3：合作团队主要成员（左）和CSNS伴生质子束斑成像结果（右）

       2023年2月底，beat365中国唯一官方网站徐宇博士代表研究团队，赶赴日本J-PARC安装缪子束流监测器（如图4所示），并全程参加了COMET实验束流的测试工作。实验过程中，缪子束流监测器和电子学读出系统实现稳定运行，给出了COMET实验缪子束流的时间和空间分布等测试结果，得到国际合作组的高度评价。该科研成果可为COMET实验的物理结果提供有效支撑，并为我国正在筹划的加速器缪子源及其前沿科学实验打下扎实的基础。

   图4：日本J-PARC探测器现场安装和调试（左）和实验大厅探测器布置图（右）

        束流实验期间，缪子束流监测器获得超过千万量级的事例数（部分加速器缪子束斑空间分布如图5所示）。通过参加此次束流测试和样机的研制，beat365中国唯一官方网站唐健教授团队和合作团队合作攻关，如期完成探测器研发。在此过程中，团队成员熟悉并掌握探测器研发流程以及相关技术，包括探测器蒙特卡洛模拟工具的使用（徐宇、宁云松），塑料闪烁光纤探测器的组装和测试（宁云松、余涛、孙铭辰、钟嘉豪等），读出电子学的设计和慢控制系统（腾尧、秦治臻、陈羽、徐宇），在线实时显示图形界面的开发（徐宇、陈羽），束流测试流程等。后续团队将详细分析多批次的实验数据，结果将为下一阶段COMET实验缪子束流传输及其物理数据采集等提供重要支撑。

图5：缪子束流监测器与后端探测器联合分析后获得的束斑空间分布图

        该缪子束流监测器的研制获得国家自然科学基金项目资助，中国科学技术大学封常青教授团队参与电子学系统的研制，CSNS伴生质子束平台敬罕涛和谭志新老师提供了支持和帮助。日本J-PARC束流测试区管委会和技术专家组协助探测器安装，beat365中国唯一官方网站毕业生周逸行(现日本九州大学硕士生)长期支持和推动项目进展，COMET国际合作组在探测器研制和此次束流实验期间提供了宝贵建议。