[論文レビュー] A complete demonstrator of a muon cooled Higgs factory

Carlo Rubbia|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、高輝度ミューオン衝突に必要な.emitanceを達成するために、小規模で非伝統的なリングの段階的連鎖を用いたミューオン冷却Higgsファクトリーの包括的設計を提案する。段階的かつ段階的な手法を採用し、既存施設で低強度のミューオン冷却デモンストレータを実施した後、最大10^32 cm⁻²s⁻¹の輝度と±100 keVのHiggsボソン質量分解能を達成する完全なHiggsファクトリーにスケールアップする。

ABSTRACT

The recent discovery of the Higgs particle of 125 GeV has revised the interest of the so-called Higgs factory, namely of a mu+mu- collider with adequately cooled intensity of about 6 10^12 muons of each sign, a repetition rate of 15-50 p/s and a luminosity of up to 10^32 cm-2 s-1. The process is the direct production of a H_0 scalar in the s-state. Its partial widths can be studied in clean conditions and with remarkable accuracy. The Ho mass itself can be measured to about +-100 keV (deltaE/E <10^-6) in the (WW) channel with the help of the decay frequency of the polarized mu->e nu nu decay electrons. The realization of a cascade of unconventional but very small rings of few meters radius is described, in order to achieve the required longitudinal and transverse emittances. Physics requirements and the many studies already undertaken suggest that the next step, prior to but adequate for a H_0 physics programme, could be the practical realization of a full scale muon cooling demonstrator. The correct operation of the demonstrator may be initially explored with the help of very low intensity muon beam already available in a number of different accelerators. The additional but relatively conventional components necessary to realize the facility with the appropriate luminosity should be constructed only after the success of this initial cooling experiment has been conclusively demonstrated. The ultimate mu+mu- collider for a Higgs Factory can be situated within the existing CERN or FNAL sites.

研究の動機と目的

• Higgsボソン研究に最適化された高輝度ミューオン衝突機の包括的で実用的な実現ルートを設計すること。
• 革新的なリングベース冷却方式を用いて、ミューオンビームの超低.emitanceを達成する課題に取り組むこと。
• 既存加速器で低強度の冷却デモンストレータを実施する段階的実験的手法を提案すること。
• クリーンなsチャネル生成を用いて、Higgsボソン質量（±100 keV）および部分幅の精密測定を可能にすること。
• 既存のCERN や FNAL のインfrastrutureを活用して、将来のHiggsファクトリーの実現可能性を示すこと。

提案手法

• ミューオンビームに必要な縦方向および横方向の.emitanceを達成するために、数メートルの半径を有する小規模なリングの連鎖を設計すること。
• 偏極ミューオンの崩壊周波数（μ → eνν̄）を用いて、Higgsボソン質量を1MeV未塔の精度で測定すること。
• 段階的実験戦略を実装：まず、既存施設で低強度ミューオンビームを用いて冷却性能を検証すること。
• 冷却性能の成功実証後にのみ、従来の加速器部品を統合すること。
• 最終的なHiggsファクトリーの設置にあたり、既存のCERN や FNAL の施設を活用し、新規インfrastrutureの必要を最小限に抑えること。
• ミューオン冷却技術を応用して、10^32 cm⁻²s⁻¹の輝度に必要な.emitanceまで低下させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小規模で非伝統的なリングの連鎖が、Higgsファクトリーに必要な.emitanceまでミューオンビームを効果的に冷却できるか？
• RQ2 既存加速器で低強度の冷却デモンストレータを実施することが可能で、本格的建設の前段階で冷却概念を検証できるか？
• RQ3 ミューオン崩壊周波数とsチャネル生成を用いて、Higgsボソン質量を±100 keVの精度で測定できるか？
• RQ4 必要な.emitance低減を達成するためのリング半径および磁場の最適な設定は何か？
• RQ5 冷却デモンストレータから完全なHiggsファクトリーへの移行を安全かつ効率的に管理する方法は何か？

主な発見

• 小リングの連鎖によって必要な.emitanceを達成するミューオン冷却Higgsファクトリーの包括的設計が提案された。
• 偏極ミューオンの崩壊周波数を用いることで、Higgsボソン質量を±100 keV（δE/E < 10⁻⁶）の精度で測定可能である。
• 既存加速器で低強度の冷却デモンストレータを実施することが可能であり、本格的建設の前段階で冷却概念の検証が可能である。
• 提案されたリングベース冷却システムにより、10^32 cm⁻²s⁻¹の必要な輝度が達成可能である。
• 最終的なHiggsファクトリーは、既存のCERN や FNAL の施設内に設置可能であり、インfrastrutureコストを削減できる。
• 段階的戦略により、従来の部品は冷却性能の成功実証後にのみ設置されることが保証された。