[論文レビュー] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 4 (2018): The Compact Linear Collider (CLIC) – Project Implementation Plan

Markus Aicheler|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 106被引用数 72

ひとこと要約

CLICプロジェクト実装計画は、12 GHzの常温導体構造を用い、高電流ドライブビームで駆動される2ビーム加速方式を採用した段階的でTeVスケールの線形衝突型加速器を提示している。380 GeV段階では170 MWの消費電力と約60億スイスフランのコスト見積もりを達成し、25〜30年間の物理学プログラムを通じて、精度の高いヒッグス粒子およびトップクォークの測定、新物理の直接探索が可能となる。初回ビームは2035年ごろに実現可能である。

ABSTRACT

The Compact Linear Collider (CLIC) is a TeV-scale high-luminosity linear $e^+e^-$ collider under development by international collaborations hosted by CERN. This document provides an overview of the design, technology, and implementation aspects of the CLIC accelerator. For an optimal exploitation of its physics potential, CLIC is foreseen to be built and operated in stages, at centre-of-mass energies of 380 GeV, 1.5 TeV and 3 TeV, for a site length ranging between 11 km and 50 km. CLIC uses a Two-Beam acceleration scheme, in which normal-conducting high-gradient 12 GHz accelerating structures are powered via a high-current Drive Beam. For the first stage, an alternative with X-band klystron powering is also considered. CLIC accelerator optimisation, technical developments, and system tests have resulted insignificant progress in recent years. Moreover, this has led to an increased energy efficiency and reduced power consumption of around 170 MW for the 380 GeV stage, together with a reduced cost estimate of approximately 6 billion CHF. The construction of the first CLIC energy stage could start as early as 2026 and first beams would be available by 2035, marking the beginning of a physics programme spanning 25-30 years and providing excellent sensitivity to Beyond Standard Model physics, through direct searches and via a broad set of precision measurements of Standard Model processes, particularly in the Higgs and top-quark sectors.

研究の動機と目的

• CERNで開発が進められている将来のTeVスケールe+e−衝突型加速器であるコンパクト・リニア・コライダー（CLIC）の包括的な実装計画を提示すること。
• CLICの段階的建設および運用に必要な技術的設計、技術選定、システム統合を詳細に提示すること。
• 高度な加速器物理学および工学的発展を通じて、CLICの性能、エネルギー効率、コストを最適化すること。
• 初期の380 GeV段階におけるクライストロンベースの代替案の妥当性を評価し、技術的リスクを低減し、早期導入を可能とすること。
• 1.5 TeVおよび3 TeVの中心系エネルギーレベルへの長期的アップグレード経路を定義し、高輝度および物理学的探査範囲を拡大すること。

提案手法

• 高電流ドライブビームが主ビーム線形加速器内の常温導体12 GHz加速構造を駆動する2ビーム加速方式を採用する。
• 3つのエネルギー段階（380 GeV、1.5 TeV、3 TeV）を有する段階的建設アプローチを採用し、各段階で加速器長が延長（11〜50 km）される。
• 380 GeV段階にクライストロンベースの代替案を導入し、ドライブビームをXバンドクライストロンに置き換えることで、複雑さを低減し、導入を加速する。
• ナノメートルスケールのビーム安定性を維持するため、高度なビームダイナミクス、真空、測量・アライメント、地盤変動低減システムを統合する。
• エミッタンスを最小限に抑え、消費電力を削減するため、超伝導減衰ワグラーと永久磁石ベースの電磁石系を採用する。
• 安全で安定した運用を確保するため、包括的な制御系、ビーム計測、マシン保護システムを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理学的性能、コスト、技術的実現可能性のバランスを最適化した高輝度、TeVスケールの線形衝突型加速器の最適設計は何か？
• RQ2 12 GHz構造とドライブビームを用いた2ビーム加速方式が、必要な加速勾配と効率をどのように達成できるか？
• RQ3 初期の380 GeV段階でドライブビームの代わりにクライストロンを使用した場合の性能とコストへの影響は何か？
• RQ4 動的変動する地盤変動および磁場の変動下でも、11〜50 kmにわたる線形加速器でエミッタンス、安定性、アライメントをどのように維持できるか？
• RQ5 エネルギー効率とシステム信頼性を保ちながら、3 TeVでの高輝度（L∗ = 6 m）を実現する長期的アップグレード経路は何か？

主な発見

• CLICの380 GeV段階では、最適化されたRFシステムとエネルギー回収技術のおかげで、消費電力が約170 MWにまで低減された。
• 380 GeV段階のコスト見積もりは約60億スイスフランであり、システム統合および技術開発の大幅な進展を反映している。
• 380 GeV段階におけるクライストロンベースの代替案は技術的に実現可能であり、技術的リスクを低減し、2026年ごろからの建設開始が可能となる。
• CLICの初回ビームは2035年ごろに予想され、25〜30年間の包括的物理学プログラムを通じて、ヒッグス粒子およびトップクォーク領域における高精度測定が可能となる。
• 3 TeVでL∗ = 6 mの条件下で6 × 10^30 cm⁻²s⁻¹の輝度を達成でき、標準模型を超える新物理の感受性が得られる。
• システムレベルの研究により、ビーム配送系、真空系、地盤変動低減対策がナノメートルスケールのビーム安定性要件を満たすことが確認された。