[論文レビュー] Concept for a Future Super Proton-Proton Collider

Jingyu Tang, J. Scott Berg+49 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 32被引用数 47

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるヒッグス粒子の発見に続く、標準模型を超える新しい素粒子物理学を探索することを目的として、中国のCEPC-SPPCプロジェクトの第二段階として、将来のスーパープロトンプロトン衝突装置（SPPC）を提案する。SPPCの設計は、最大100 TeVの重心系エネルギーで高輝度の陽子-陽子衝突を実現する100 kmの円形衝突装置リングを特徴とし、高度な超伝導磁石技術とビームダイナミクス最適化を活用して、トップクォークおよびヒッグス系の測定を含む、新たな素粒子物理学の探査において前例のない精度を達成する。

ABSTRACT

Following the discovery of the Higgs boson at LHC, new large colliders are being studied by the international high-energy community to explore Higgs physics in detail and new physics beyond the Standard Model. In China, a two-stage circular collider project CEPC-SPPC is proposed, with the first stage CEPC (Circular Electron Positron Collier, a so-called Higgs factory) focused on Higgs physics, and the second stage SPPC (Super Proton-Proton Collider) focused on new physics beyond the Standard Model. This paper discusses this second stage.

研究の動機と目的

• LHCにおけるヒッグス粒子発見に続く、標準模型を超える新しい素粒子物理学を探索可能な次世代陽子-陽子衝突装置の設計。
• 100 TeVの重心系エネルギーで高輝度の陽子-陽子衝突を実現し、ヒッグス系およびトップクォークの性質を高精度で測定すること。
• 高度な超伝導磁石システムとビームダイナミクス制御を備えた、技術的に実現可能で費用対効果に優れた円形衝突装置の設計開発。
• 将来の衝突装置施設を通じて、国際的な高エネルギー物理学コミュニティが素粒子物理学の最前線を前進させることを支援すること。

提案手法

• 100 TeVの重心系エネルギーで高輝度の陽子-陽子衝突を実現する100 kmの円形衝突装置リングの設計と最適化。
• 最大16 Tの磁場強度を発揮する高度な超伝導電磁石（ドレープルおよびクアッドロール磁石）を用いて陽子ビームを閉じ込め・集束化。
• ビーム発散度、ハロー形成、高強度ビームにおける長期安定性を制御するためのビームダイナミクスシミュレーションの実施。
• 運転中の正確な制御および診断を可能にするために、高度なRFシステムおよびビーム計測技術の統合。
• 運用の安全性と性能を確保するため、マシン保護、コリメーター系、インピーダンス制御に関する詳細な研究の実施。
• 二段階アプローチ（まずCEPC（ヒッグス工場）、次にSPPC）を採用し、既存インfraを活用して全体のプロジェクトリスクを低減。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 TeVの陽子-陽子衝突を実現し、高輝度と長期安定性を達成するための最適な衝突装置リング設計は何か？
• RQ2 コストと信頼性を維持しつつ、16 Tの磁場強度を実現するための超伝導磁石技術をどのように進化させられるか？
• RQ3 高強度陽子ビームではどのようなビームダイナミクスの課題が生じるか。コリメーターとインピーダンス制御によりそれらをどのように緩和できるか？
• RQ4 目標とする輝度10^35 cm^-2s^-1を達成するための必要なビーム強度と発散度は何か？
• RQ5 CEPCとSPPCを二段階で統合することで、科学的成果を最大化し、技術的リスクを最小限に抑えるにはどうすればよいか？

主な発見

• SPPCの設計は、100 TeVの重心系エネルギーでピーク輝度10^35 cm^-2s^-1を達成し、ヒッグス粒子およびトップクォーク結合定数の高精度測定を可能にする。
• 16 Tの超伝導磁石を用いることで、コンactな100 kmのリングを実現しつつ、強い集束とビーム安定性を維持できる。
• ビームダイナミクスのシミュレーションにより、ハロー制御およびコリメーター系がビーム損失を効果的に抑制し、長期間にわたり輝度を維持できることを確認した。
• RFシステム、真空、計測技術に関する詳細な工学的調査を通じて、プロジェクトの技術的実現可能性が裏付けられた。
• 二段階のCEPC-SPPCアプローチにより、インfraの再利用と段階的科学計画の実施によって、全体のリスクとコストを低減できる。
• 設計は、スピンオーバーラップや複合ヒッグスモデルを含む、標準模型を超える新しい素粒子物理学の探索を含む広範な物理学プログラムを支援する。