[論文レビュー] CERC -- Circular $e^+e^-$ Collider using Energy-Recovery Linac

V.N. Litvinenko, Nikhil Bachhawat+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 5

ひとこと要約

CERCは、エネルギー回収型線形加速器（ERLs）を用いた100 kmの円形$e^+e^-$衝突型加速器を提案し、高インテンシティおよび最大600 GeVの重心系エネルギーを実現することで、トップヤウカノカップリングおよび二重ヒッグス粒子生成の高精度測定を可能にする。ビームエネルギーと粒子を再利用することにより、消費電力の低減と完全に偏光したビームの実現を可能にする。

ABSTRACT

We present a Circular Energy Recovery Collider (CERC) as an alternative approach for a high-energy high-luminosity electron-positron collider to current designs for high-energy electron-positron colliders either based on two storage rings with 100 km circumference or two large linear accelerators. Using Energy Recovery Linacs (ERL) located in the same-size 100 km tunnel would allow a large reduction of the beam energy losses, and therefore a reduction of the power consumption, while providing higher luminosity. It also opens a path for extending the center-of-mass (CM) energy to 500 GeV, which would enable double-Higgs production, and even to 600 GeV for production and measurements of the top Yukawa coupling. Furthermore, this approach would allow recycling of not only the energy but also of the particles. This feature opens the possibility for colliding fully polarized electron and positron beams.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学における大型線形加速器や保存リング型$e^+e^-$衝突型加速器の代替案を提示すること。
• 従来の円形加速器における高消費電力とビーム損失の問題を、エネルギー回収型線形加速器（ERLs）を用いて解決すること。
• 二重ヒッグス粒子生成のための重心系エネルギーを500 GeV以上、トップヤウカノカップリング測定のための600 GeVまで達成すること。
• 高インテンシティ・低消費電力運転を実現するため、円形加速器内でエネルギーと粒子の両方を再利用する可能性を検討すること。
• ERLベースの設計を用いて、完全に偏光した電子および陽電子ビームを衝突可能にする可能性を調査すること。

提案手法

• 100 kmの円形トンネル内に配置されたエネルギー回収型線形加速器（ERLs）を用いて、電子および陽電子ビームの加速とエネルギー回収を行う。
• 衝突後にビームエネルギーを閉ループで再利用するビーム再循環を採用し、エネルギー損失を最小限に抑える。
• リングの複数箇所にERLを統合して、ビームエネルギーの維持と高インテンシティ運転を可能にする。
• ビームエネルギーを500 GeVまで設計し、トップクォークカップリング研究のための600 GeVへの拡張も想定する。
• ERL内でのスピン操作を用いて、完全に偏光した電子および陽電子ビームの生成と維持を可能にするスピン制御機構を実装する。
• ビームダイナミクスシミュレーションを用いて、ERL運転下での安定性、ミス・エミッタンス増大、インテンシティ性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ERLベースの円形加速器は、500 GeV以上の重心系エネルギーを達成でき、二重ヒッグス粒子生成を可能にするか？
• RQ2 従来の設計と比較して、ERLを円形$e^+e^-$衝突型加速器に適用した場合、インテンシティの向上と消費電力の削減の潜在的効果は何か？
• RQ3 円形ERL構成において、エネルギーと粒子の両方が再利用可能であり、高インテンシティ・低消費電力運転を実現できるか？
• RQ4 円形ERL加速器で完全に偏光した電子および陽電子ビームを生成・維持することは可能か？
• RQ5 高ビーム電流を伴う100 kmの周囲にERLをスケーリングする際の技術的およびビームダイナミクス上の課題は何か？

主な発見

• CERC設計により、二重ヒッグス粒子生成に十分な500 GeVまでの重心系エネルギーが達成可能であり、さらにトップヤウカノカップリング測定のため600 GeVまで拡張可能である。
• ERLにおけるエネルギー回収により、従来の円形加速器と比較してビームエネルギー損失と消費電力が顕著に低減される。
• エネルギーと粒子の両方の再利用により、高インテンシティ運転が可能となり、運用コストの低減が実現される。
• 完全に偏光した電子および陽電子ビームの生成と維持が可能であり、高精度なスピン依存測定が可能になる。
• ビームダイナミクスシミュレーションから、100 kmのリング全体で安定した運転が可能であり、制御されたエミッタンス増大と高いインテンシティ性能が得られる。
• ERLベースの手法は、より高い効率と環境への影響低減を実現する高エネルギー$e^+e^-$衝突へのスケーラブルな道筋を提供する。