[論文レビュー] ACE Science Workshop Report

Stefania Gori, Nhan Viet Tran+21 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2024

Particle Detector Development and Performance被引用数 2

ひとこと要約

ACE科学ワークショップレポートは、フェルミラブ加速器複合施設の二段階的アップグレード計画——ACE-MIRTおよびACE-BR——を概説しており、ミューオン物理学、ニュートリノ、電荷粒子のレプトンフラバー違反、ダークセクター分野における次世代実験を可能にするものである。このレポートは、高強度ビーム生成、ターゲット技術開発、ミューオン冷却といった重要な加速器研究開発のニーズを特定し、複数メガワット級ビーム運用を支援するとともに、米国の強度フロントアタックを前進させるという目標を提示している。

ABSTRACT

We summarize the Fermilab Accelerator Complex Evolution (ACE) Science Workshop, held on June 14-15, 2023. The workshop presented the strategy for the ACE program in two phases: ACE Main Injector Ramp and Target (MIRT) upgrade and ACE Booster Replacement (BR) upgrade. Four plenary sessions covered the primary experimental physics thrusts: Muon Collider, Neutrinos, Charged Lepton Flavor Violation, and Dark Sectors. Additional physics and technology ideas were presented from the community that could expand or augment the ACE science program. Given the physics framing, a parallel session at the workshop was dedicated to discussing priorities for accelerator R\&D. Finally, physics discussion sessions concluded the workshop where experts from the different experimental physics thrusts were brought together to begin understanding the synergies between the different physics drivers and technologies. In December of 2023, the P5 report was released setting the physics priorities for the field in the next decade and beyond, and identified ACE as an important component of the future US accelerator-based program. Given the presentations and discussions at the ACE Science Workshop and the findings of the P5 report, we lay out the topics for study to determine the physics priorities and design goals of the Fermilab ACE project in the near-term.

研究の動機と目的

• 次世代の素粒子物理学を支援するため、フェルミラブ加速器複合施設の進化（ACE）プログラムの戦略的ロードマップを策定すること。
• 高強度ビーム実験に不可欠な加速器および検出器の研究開発ニーズを特定・優先順位付けすること。
• ミューオン衝突機、ニュートリノ物理学、電荷レプトンフラバー違反、ダークセクター探索といった主要な物理的駆動要因間の連携を評価すること。
• ACEプログラムがP5レポートが提示する米国の強度フロントアタックのビジョンを支援すること、特に2MW以上のビーム出力と長期的な信頼性を確保すること。
• ミューオン冷却デモンストレータ、プロトン蓄積リング、ターゲットデモンストレータなどの将来施設の設計を導くこと。

提案手法

• 二段階のACEアップグレードを提案：ACE-MIRT（メインインジェクタラップおよびターゲット）は、DUNEに早期に2MWビームを供給することを目的とし、ACE-BR（ブースターリプレースメント）は全2.4MW以上のビーム出力を実現することを目的とする。
• 多様な物理学計画を支援するため、0.8GeVの蓄積リング、8GeVのリニアック、2GeVのリニアックを含む加速器構成を概説する。
• 高勾配RFキャビティ、SRF技術、金属被膜セラミックビームパイプ、放射線耐性材料における研究開発の重要性を強調する。
• 完全なアップグレードの前に、ミューオン生成およびビームダンプ物理学のテストを可能にするために、低いビーム出力（例：200–400kW）でのターゲットデモンストレータ施設の段階的設置を提言する。
• ビーム可用性の向上と初期物理学計画の支援を目的としたPIP-II蓄積リング（PAR）の概念設計を提案する。
• ミューオン冷却デモンストレータ施設は、研究開発の主要なマイルストーンとされ、5年以内に概念設計およびプロトタイプ製作を完了する予定であると明記する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミラブ加速器複合施設は、DUNEおよび将来の実験に多メガワット級プロトンビームを供給するために、どのようにアップグレードされるべきか？
• RQ2 高強度ミューオンおよびニュートリノビームを実現するための、高強度ビーム実験に不可欠な加速器研究開発の優先順位は何か？
• RQ3 共有インfraストラクチャおよびビームラインを通じて、ミューオン衝突機、CLFV、ニュートリノ、ダークセクター探索実験の間で、どのように連携を最大化できるか？
• RQ4 複数の物理学計画を支援するための、最適な将来のプロトンドライバー施設の構成（蓄積リングおよびリニアックを含む）は何か？
• RQ5 高線量・高繰り返しレートのビーム運用における、重要な材料およびターゲット技術の課題は何か？ そして、それらはどのように軽減できるか？

主な発見

• ACE-MIRTは、2033年ごろまでにメインインジェクタのラップ時間を短縮し、DUNEに最大2.1MWのビームを供給することを目的としており、最終的な目標は2.4MWとする。
• ACE-BRアップグレードにより、フェルミラブブースターが置き換えられ、全2.4MW以上のビーム出力が可能になり、次世代実験が支援される。
• 0.8GeVの蓄積リングは、ビームダンプおよびCLFV物理学の到達範囲を拡大する上で高いインパクトを持つアップグレードと特定されている。
• 初期ビーム試験および100kWの低ドゥーティファクタプロトン計画を支援するため、PIP-II蓄積リング（PAR）の提案は現在開発中である。
• ミューオン冷却デモンストレータ施設の研究開発が優先され、5年以内に概念設計およびプロトタイプ製作が完了する予定である。
• ターゲット技術の研究開発は、高線量運用において不可欠であり、特にミューオンおよびダークセクター実験のための被照射材料および高度なターゲット概念に焦点を当てる。