[論文レビュー] A hybrid, asymmetric, linear Higgs factory based on plasma-wakefield and radio-frequency acceleration

B. Foster, Richard D’Arcy+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 67被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー電子に対してプラズマウェイクフィールド加速を、低エネルギー陽電子に対して従来のラジオ周波数（RF）加速を用いることで、大幅なコスト削減を実現しながらも、従来の施設と同等の光度を達成するハイブリッドで非対称な線形ヒッグスファクトリー（HALHF）を提案する。この手法は、非対称なエネルギー、電荷、発散度を活用することで、陽電子のプラズマ加速の非効率性という課題を克服する。

ABSTRACT

The construction of an electron--positron collider "Higgs factory" has been stalled for a decade, not because of feasibility but because of the cost of conventional radio-frequency (RF) acceleration. Plasma-wakefield acceleration promises to alleviate this problem via significant cost reduction based on its orders-of-magnitude higher accelerating gradients. However, plasma-based acceleration of positrons is much more difficult than for electrons. We propose a collider scheme that avoids positron acceleration in plasma, using a mixture of beam-driven plasma-wakefield acceleration to high energy for the electrons and conventional RF acceleration to low energy for the positrons. We emphasise the benefits of asymmetric energies, asymmetric bunch charges and asymmetric transverse emittances. The implications for luminosity and experimentation at such an asymmetric facility are explored and found to be comparable to conventional facilities; the cost is found to be much lower. Some of the areas in which R\&D is necessary to make HALHF a reality are highlighted,including estimates for the improvement required in key technologies. These range from a factor of 10 to a factor of 1000.

研究の動機と目的

• 従来のRF加速に依存する電子-陽電子ヒッグスファクトリーの高コスト障壁に対処すること。
• プラズマウェイクフィールド加速器における安定的かつ効率的な陽電子加速を実現する実験的困難性を克服すること。
• 高光度を維持しながらインfra構築および運用コストを大幅に削減するハイブリッド衝突型加速器設計を提唱すること。
• 線形衝突型加速器構成における非対称なエネルギー、電荷、発散度の実現可能性と利点を調査すること。
• HALHF概念を実現するために必要な主要な研究開発課題と技術的改善点を特定すること。

提案手法

• 電子は駆動ビーム駆動型プラズマウェイクフィールド加速（PWFA）により高エネルギーに加速され、陽電子は従来のRFキャビティにより低エネルギーに加速される線形衝突型加速器設計を提案する。
• 非対称なエネルギー構成を採用：電子は高エネルギー（例：約250 GeV）に達し、陽電子は低エネルギー（例：約10 GeV）に加速され、これにより中心系エネルギーが216 GeVを超える。
• ビーム-ビーム光度と安定性を最適化するために、非対称なビーム電荷および横方向発散度を活用する。
• 陽電子には確立されたRF加速技術を適用し、未検証のプラズマベース陽電子加速の課題を回避する。
• エネルギーの非対称性および発散度の違いを考慮した標準的なビーム-ビーム相互作用の式を用いて光度性能をモデル化する。
• ドライブビーム安定性、プラズマ密度制御、RF効率などの主要部品において、性能を10倍から1000倍まで向上させる必要があると推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマウェイクフィールドを電子に、RFを陽電子に用いるハイブリッド衝突型加速器設計が、従来のヒッグスファクトリーと同等の光度を達成できるか？
• RQ2 非対称なエネルギー、電荷、発散度の設定が線形衝突型加速器における光度およびビーム安定性に与える影響はいかほどか？
• RQ3 このようなハイブリッド設計は、ILC や CLIC と比較して、どの程度のコスト削減が見込めるか？
• RQ4 HALHFを実現するために克服すべき主要な技術的ギャップは何か？
• RQ5 電子のプラズマウェイクフィールド加速は、陽電子のプラズマ加速ができないという欠陥をどの程度補えるか？

主な発見

• HALHF設計は、陽電子にのみ従来のRF加速を用いるにもかかわらず、従来のヒッグスファクトリーと同等の光度を達成する。
• 非対称なエネルギー構成により、中心系エネルギーが216 GeVを超えることが可能となり、e+e−→HZ を通じたヒッグスボソン生成に十分な条件を満たす。
• HALHFのコストは、ILC や CLIC と比較して顕著に低くなると予想される。これは、長さの短縮と、陽電子に成熟したRF技術を用いることに起因する。
• ドライブビーム安定性やプラズマ密度制御などの主要部品において、性能を10倍から1000倍まで向上させる必要がある。
• 未解決のプラズマベース陽電子加速の課題を回避することで、近い将来から中距離のスケールで実現可能な施設となる。
• 非対称なパrameter（エネルギー、電荷、発散度）が、光度の最大化とコスト・技術的リスクの最小化に有益であることが示された。