[論文レビュー] A Complete Scheme for a Muon Collider

R.B. Palmer, J. Scott Berg+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2007

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、1.5 TeVの中心系エネルギーを有するミューオン衝突機の完全でエンド・トゥ・エンドの設計を提示し、段階的プロセスとしてミューオンの生成、冷却、加速を段階的に実施する。フェーズ回転、ヘリカル格子における6次元イオン化冷却、および50 Tのソレノイドによる最終冷却を用いる。このスキームは、高輝度を実現するにあたって必要なエミッタンス低減とビームパラメータを達成しており、シミュレーションにより衝突リングへのミューオン生存率は約7%に達し、中心系エネルギー8 TeVまで実現可能であることが示された。

ABSTRACT

A complete scheme for production, cooling, acceleration, and ring for a 1.5 TeV center of mass muon collider is presented, together with parameters for two higher energy machines. The schemes starts with the front end of a proposed neutrino factory that yields bunch trains of both muon signs. Six dimensional cooling in long-period helical lattices reduces the longitudinal emittance until it becomes possible to merge the trains into single bunches, one of each sign. Further cooling in all dimensions is applied to the single bunches in further helical lattices. Final transverse cooling to the required parameters is achieved in 50 T solenoids.

研究の動機と目的

• 高輝度・高エネルギーのレプトン衝突を可能にする、完全で統合されたミューオン衝突機のスキームを開発すること。
• 急速に崩壊する低エミッタンスのミューオンを克服するため、冷却とフェーズ操作の段階的連鎖を設計すること。
• 1.5–8 TeVのミューオン衝突機に必要なビームパラメータ（エミッタンス、強度、エネルギー分散）を達成できるかを実証すること。
• プロトンドライバーから衝突リングまでの各サブシステムについて、詳細かつシミュレーションで検証された設計を提供すること。

提案手法

• 水銀ジェットターゲットでパイオンを生成するプロトンドライバーを用い、その後20 Tのソレノイドでミューオンを捕捉し、断熱的に磁場を3 Tに低下させる。
• 周波数チューニング可能なRFキャビティを用いてフェーズ回転を実施し、エネルギー分散が大きい1つのミューオンビームを、エネルギー分散が小さい複数のビームパルスに変換する。
• 交互に配置されたソレノイド磁場、楔形の液体水素吸収体、RF再加速を用いて、長い周期のヘリカル格子における6次元イオン化冷却を実施する。
• 磁場強度と周波数を段階的に増加させる2段階のRFOFOに類似した6次元冷却格子を用い、6次元すべてのエミッタンスを低減する。
• 最終的な横方向冷却を50 Tのソレノイドで実施し、必要な最終エミッタンス25 π mm mradに到達する。
• ビームダイナミクスのシミュレーションを統合し、トゥーンシフト、空間電荷効果、各段階を通過するミューオンの生存率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全でエンド・トゥ・エンドのミューオン衝突機スキームを設計可能であり、高輝度を達成するにあたって必要なビームパラメータを満たすことができるか？
• RQ2 ヘリカル格子における6次元イオン化冷却が、横方向および縦方向エミッタンスを必要なレベルまで効果的に低減できるか？
• RQ3 フェーズ回転および冷却段階を含めた全プロセスを通じて、ミューオン生存率が7%以上に維持できるか？
• RQ4 空間電荷によるトゥーンシフトおよびダイナミックエアペラの制限が、最終冷却および加速段階におけるビーム安定性に与える影響は何か？
• RQ5 事前冷却段階を経た後、50 Tソレノイドを用いて必要な最終エミッタンス25 π mm mradを達成できるか？

主な発見

• 最終的な横方向エミッタンスは25 π mm mrad、縦方向エミッタンスは72 π mm radに達し、1.5 TeVの衝突機運用に必要な目標を満たしている。
• フェーズ回転の終了から衝突リングへのミューオン生存率は約7%と推定され、損失は主に初期の冷却段階で発生している。
• 最終の50 Tソレノイド段階で最大26.1%の空間電荷トゥーンシフトが発生したが、ビームコリメーションおよび格子設計のおかげでダイナミックエアペラは十分に保たれている。
• 6次元冷却段階は効果的にエミッタンスを低減しており、最終のRFOFOに類似した格子は合流後に累積透過率0.14を達成している。
• 8 TeVの衝突機設計は、より高い曲げ磁場（10.4 T）と低減した繰り返し周波数（3 Hz）を用いて外挿され、ビームパラメータと輝度が維持されている。
• シミュレーションにより、6次元冷却段階では最大約14.5%のトゥーンシフトに対応可能であり、ダイナミックアクセプタンスは運用に十分であることが確認された。