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

A. Blondel, M. Koratzinos+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ヒッグスボソンを画期的な精度で研究できる高出力e⁺e⁻衝突型加速器を提案している。240 GeVの中心系エネルギーで運転する27 kmのリングは、4つの相互作用ポイントで10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力に達し、80 kmのリングでは5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹に達する。ビームストラールングの影響は、大きな運動量受容域を用いることで制御可能であり、W対生成閾値まで偏光が可能である。

ABSTRACT

A strong candidate for the Standard Model Scalar boson, H(126), has been discovered by the Large Hadron Collider (LHC) experiments. In order to study this fundamental particle with unprecedented precision, and to perform precision tests of the closure of the Standard Model, we investigate the possibilities offered by An e+e- storage ring collider. We use a design inspired by the B-factories, taking into account the performance achieved at LEP2, and imposing a synchrotron radiation power limit of 100 MW. At the most relevant centre-of-mass energy of 240 GeV, near-constant luminosities of 10^34 cm^{-2}s^{-1} are possible in up to four collision points for a ring of 27km circumference. The achievable luminosity increases with the bending radius, and for 80km circumference, a luminosity of 5 10^34 cm^{-2}s^{-1} in four collision points appears feasible. Beamstrahlung becomes relevant at these high luminosities, leading to a design requirement of large momentum acceptance both in the accelerating system and in the optics. The larger machine could reach the top quark threshold, would yield luminosities per interaction point of 10^36 cm^{-2}s^{-1} at the Z pole (91 GeV) and 2 10^35 cm^{-2}s^{-1} at the W pair production threshold (80 GeV per beam). The energy spread is reduced in the larger ring with respect to what is was at LEP, giving confidence that beam polarization for energy calibration purposes should be available up to the W pair threshold. The capabilities in term of physics performance are outlined.

研究の動機と目的

• LHCにおけるヒッグス粒子の発見に続く、ヒッグス粒子の性質の高精度測定を可能にする。
• 高精度な電弱測定を通じて、標準模型の閉じ込めを検証する。
• 高い出力を用いてトップクォーク閾値およびW対生成領域を高精度に探索する。
• 将来のヒッグスおよび電弱物理学に適した十分な出力とビーム品質を持つ加速器の設計を実現する。
• 大きな運動量受容域と最適化された光学系により、ビームストラールングおよびエネルギー分散を制御する。

提案手法

• BファクトリーおよびLEP2の設計を模倣したストレージリングを採用し、シンクロtron放射の最大出力を100 MWに制限する。
• 27 kmの円周を持つリングを用いて、4つの相互作用ポイントで240 GeVの中心系エネルギーで10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力を達成する。
• 80 kmのリングに拡大することで、出力を5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹に向上させ、重要なエネルギー領域での統計的精度を向上させる。
• 加速システムおよびビーム光学の両方で大きな運動量受容域を設けることで、ビームストラールングの影響を軽減する。
• ビームエネルギー分散を最適化し、W対生成閾値（1ビームあたり80 GeV）までエネルギー校正用のビーム偏光を可能にする。
• ビームダイナミクスのシミュレーションとリズム設計を適用し、高電流および高放射負荷下でも高い出力と安定性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 27 kmまたは80 kmのリングを持つ高出力e⁺e⁻衝突型加速器が、100 MWのシンクロtron放射出力制限下で240 GeVの中心系エネルギーで10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力を達成できるか？
• RQ2 27 kmまたは80 kmのリングを持つe⁺e⁻衝突型加速器が、100 MWのシンクロtron放射出力制限下で達成可能な最大出力は何か？
• RQ3 超高出力下でのビームストラールングの影響をどのように制御すれば、ビーム品質および出力を維持できるか？
• RQ4 W対生成閾値（1ビームあたり80 GeV）までエネルギー校正用のビーム偏光が可能か？
• RQ5 加速器設計が十分な出力と安定性を確保でき、トップクォーク閾値およびZピーク領域を高精度に探査できるか？

主な発見

• 27 kmのe⁺e⁻衝突型加速器は、240 GeVの中心系エネルギーで4つの相互作用ポイントにわたり、ほぼ一定の10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力を達成する。
• 80 kmのリング設計により、4つの相互作用ポイントで5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力を達成でき、データ収集が顕著に向上する。
• 大きなリングでは、Zピーク（91 GeV）で10³⁶ cm⁻²s⁻¹、W対生成閾値（1ビームあたり80 GeV）で2×10³⁵ cm⁻²s⁻¹の相互作用ポイントあたりの出力が達成される。
• 加速システムおよびビーム光学の両方で大きな運動量受容域を設けることで、ビームストラールングは管理可能である。
• 大きなリングではエネルギー分散が低減され、W対生成閾値までエネルギー校正用のビーム偏光が可能になる。
• 100 MWのシンクロtron放射出力制限を満たしつつ、高い出力と安定性を確保し、電弱スケールでの高精度物理学を支援する設計が実現された。