[論文レビュー] A High Luminosity e+e- Collider in the LHC tunnel to study the Higgs Boson

A. Blondel, F. Zimmermann|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、既存の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）トンネル内に、120 GeVの中心系エネルギーで動作する高光度e+e−衝突型加速器を提案している。国際リニアコライダー（ILC）およびLHeCの設計原則を活用し、別個のインジェクタによってビームを補充するストレージリングを採用することで、10^34 cm⁻²s⁻¹の光度を達成し、標準模型のヒッグス粒子質量が115–130 GeVの範囲では、1年間に10^4件を超えるヒッグス粒子イベントを取得可能となる。

ABSTRACT

We consider the possibility of a 120x120 GeV e+e- ring collider in the LHC tunnel. A luminosity of 10^34/cm2/s can be obtained with a luminosity life time of a few minutes. A high operation efficiency would require two machines: a low emittance collider storage ring and a separate accelerator injecting electrons and positrons into the storage ring to top up the beams every few minutes. A design inspired from the high luminosity b-factory design and from the LHeC design report is presented. Statistics of over 10^4 HZ events per year per experiment can be contemplated for a Standard Higgs Boson mass of 115-130 GeV.

研究の動機と目的

• 既存のLHCトンネルに高光度e+e−衝突型加速器を実装し、ヒッグス粒子の高精度な研究を可能にする可能性を検討すること。
• 10^34 cm⁻²s⁻¹の光度を達成することで、ヒッグス粒子物理学における大規模なイベント統計を実現すること。
• 低.emitanceストレージリングと別個のインジェクタによるビーム補充を組み合わせた二台機器システムを採用し、運用効率を確保すること。
• 技術的リスクを低減し、性能を最大化するために、ILCおよびLHeCから実証済みの設計を応用すること。
• 115–130 GeVの質量範囲におけるヒッグス粒子を、1実験あたり1年間に10^4件を超えるイベントで研究可能とすること。

提案手法

• 低.emitanceと高光度を達成するため、高光度Bファクトリーの設計を参考にしたストレージリングを採用する。
• ストレージリングのビームを数分ごとに別個の電子および陽電子インジェクタで補充することで、光度を維持する。
• LHCトンネルの既存インfraストラクチャおよび磁気格子を活用し、建設コストと複雑さを低減する。
• エネルギー損失を最小限に抑え、光度寿命を最大化するため、ビームパラメータおよび格子設計を最適化する。
• ビームダイナミクスのシミュレーションとフィードバックシステムを統合し、ビームの安定性と性能を維持する。
• 技術的妥当性を確保するため、ILCおよびLHeCのCERNの既存の専門知識および設計レポートを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCトンネルに最小限の改造で高光度e+e−衝突型加速器を実装することが現実的に行えるか？
• RQ2 LHCトンネル内でストレージリングとビーム補充システムを用いた場合、どの程度の光度性能が達成可能か？
• RQ3 標準模型のヒッグス粒子質量が115–130 GeVの場合、1年間にどの程度のヒッグス粒子イベントを収集できるか？
• RQ4 ILCおよびLHeCから得られるどの設計原則が、この新しい衝突型加速器概念に効果的に適用可能か？
• RQ5 高光度運用を維持するためには、どの程度のビーム寿命とインジェクション効率が必要か？

主な発見

• 低.emitanceストレージリングとビーム補充を組み合わせることで、LHCトンネル内に10^34 cm⁻²s⁻¹の光度を達成可能である。
• 光度寿命は数分程度と推定され、継続的なビーム補充が運用を維持するために不可欠である。
• ヒッグス粒子質量が115–130 GeVの範囲では、1年間に10^4件を超えるヒッグス粒子イベントを収集可能である。
• ILCおよびLHeCから実証済みの技術を基盤として採用しているため、技術的リスクが低減され、迅速な開発が可能となる。
• ビームあたりのエネルギー損失は定量的に評価され、格子設計およびRFシステムにより管理され、ビーム品質の維持が図られる。
• この概念はスケーラブルであり、必要に応じてより大きなトンネルに拡張可能で、将来的なアップグレードに柔軟性を提供する。