[論文レビュー] A Long-Baseline Atom Interferometer at CERN: Conceptual Feasibility Study

G. Arduini, L. Badurina+20 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、CERNのPX46 LHCアクセスシャフト内で約100 mの垂直原子干渉計（AI）の概念実現可能性を評価し、超軽量暗黒物質と重力波探索、インフラ、安全性、費用の検討を含む。

ABSTRACT

We present results from exploratory studies, supported by the Physics Beyond Colliders (PBC) Study Group, of the suitability of a CERN site and its infrastructure for hosting a vertical atom interferometer (AI) with a baseline of about 100 m. We first review the scientific motivations for such an experiment to search for ultralight dark matter and measure gravitational waves, and then outline the general technical requirements for such an atom interferometer, using the AION-100 project as an example. We present a possible CERN site in the PX46 access shaft to the Large Hadron Collider (LHC), including the motivations for this choice and a description of its infrastructure. We then assess its compliance with the technical requirements of such an experiment and what upgrades may be needed. We analyse issues related to the proximity of the LHC machine and its ancillary hardware and present a preliminary safety analysis and the required mitigation measures and infrastructure modifications. In conclusion, we identify primary cost drivers and describe constraints on the experimental installation and operation schedules arising from LHC operation. We find no technical obstacles: the CERN site is a very promising location for an AI experiment with a vertical baseline of about 100 m.

研究の動機と目的

• AIを用いた超軽量暗黒物質と重力波探索の動機づけ。
• CERNとPX46シャフトが約100 mのAI（AION-100）を受け入れる適性を評価し、必要なインフラのアップグレードを概説。
• AIをLHC運転と統合する際の環境、安全性、規制上の考慮事項を特定。
• CERNでの100 m AIの設置・運用に関する初期的な費用要因と日程制約を提供。

提案手法

• AIのULDMおよびGW文脈での科学的動機をレビュー。
• AION-100を参照として、100 m垂直AIの一般的技術要件を概説。
• CERN PX46サイトを提案し、そのインフラ、限界、必要なアップグレードを説明。
• 初期的な安全性と放射線防護評価を実施し、緩和策と設計変更を提案。
• LHC運転およびAI設置に関連する主要な費用要因と日程制約を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERNのPX46シャフトに約100 mの垂直原子干渉計を収容してLHC運転を妨げずに実現可能か？
• RQ2 PX46での100 m AIに必要な主な技術的・環境・安全要件と必要なアップグレードは？
• RQ3 CERNでのAI設置・運用に関する主な費用要因と日程制約は？
• RQ4 PX46の100 m AIがULDM結合と重力波探査において期待される科学的到達範囲は？

主な発見

• PX46は約100 m垂直AIに適したCERNサイトとして有望で、技術的障害は示されていない。
• 予備的な安全性と緩和策は、放射線保護シールドと合理的な費用規模の避難システムを含む統合の実現可能性を示唆。
• 主要なインフラ費用要因は放射線保護シールド壁と迅速避難システムであり、検出器自体と比較して小さい。
• 振動・地震・重力勾配ノイズ分析は、サイトがAI要件と適合することを示唆しており、ノイズ管理のための環境モニタリングとシールドの提案、磁場・RFシールドの考慮も含む。