[論文レビュー] Critical problems of energy frontier Muon Colliders: optics, magnets and radiation

Y. Alexahin, E. Barzi+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光学、超伝導（Nb3Sn）磁石、放射線防護の分野における重要な課題に焦点を当て、6 TeVのミューオンコライダーの設計概念を提示する。相互作用点におけるβ*-star = 3 mmのラティスと再スケーリングされたアーキテクチャセルを採用し、コス・コイル幾何構造とタングステンマスクを用いて、鉄、コンクリート、ホウ素ドーピングポリエチレンによる複合遮蔽により、バックグラウンド粒子フラックスを3桁以上低減する。

ABSTRACT

This White Paper brings together our previous studies on a Muon Collider (MC) and presents a design concept of the 6 TeV MC optics, the superconducting (SC) magnets, and a preliminary analysis of the protection system to reduce magnet radiation loads as well as particle backgrounds in the detector. The SC magnets and detector protection considerations impose strict limitations on the lattice choice, hence the design of the collider optics, magnets and Machine Detector Interface (MDI) are closely intertwined. As a first approximation we use the Interaction Region (IR) design with beta-star=3 mm, whereas for the arcs we re-scale the arc cell design of the 3 TeV MC. Traditional cos-theta coil geometry and Nb3Sn superconductor were used to provide field maps for the analysis and optimization of the arc lattice and IR design, as well as for studies of beam dynamics and magnet protection against radiation. The stress management in the coil will be needed to avoid large degradation or even damage of the brittle SC coils. In the assumed IR designs, the dipoles close to the Interaction Point (IP) and tungsten masks in each IR (to protect magnets) help reducing background particle fluxes in the detector by a substantial factor. The tungsten nozzles in the 6 to 600 cm region from the IP, assisted by the detector solenoid field, trap most of the decay electrons created close to the IP as well as most of the incoherent electron-positron pairs generated in the IP. With sophisticated tungsten, iron, concrete and borated polyethylene shielding in the MDI region, the total reduction of background loads by more than three orders of magnitude can be achieved.

研究の動機と目的

• エネルギー・フ론톨のための6 TeVミューオンコライダーを設計するにあたり、重要な工学的および物理学的課題に取り組む。
• 超伝導磁石の制約と放射線負荷の制限に適合するコライダー光学設計を開発する。
• 効果的な放射線遮蔽と磁石保護を通じて、検出器におけるビーム誘発バックグラウンドを最小限に抑える。
• 放射線負荷を磁石および検出器部品に低減するため、マシン・ディテクタ・インターフェース（MDI）を最適化する。
• 高磁場磁石に起因する高い応力下で、破壊的であるとされるNb3Sn超伝導巻線の機械的整合性を確保する。

提案手法

• アーク部および相互作用領域（IR）磁石における高磁場用として、Nb3Sn超伝導体を用いたコス・コイル幾何構造を採用した。
• 高輝度を達成しつつビームパラメータを制約するため、相互作用点におけるβ*-star = 3 mmを採用した。
• 6 TeV仕様に適合させるために、3 TeVミューオンコライダーのアーキテクチャセル設計を再スケーリングし、ラティス安定性を維持した。
• 相互作用点（IP）からの距離が6–600 cmの範囲に位置するタングステンマスクおよびノズルを設置し、崩壊電子および非一様なe+e−対をIP付近に捕らえる。
• タングステン、鉄、コンクリート、ホウ素ドーピングポリエチレンを用いた積層MDI遮蔽システムを設計し、放射線を減衰させた。
• 放射線低減の評価のために、場のマップとモンテカルロシミュレーションを用いてビームダイナミクスおよび放射線防護解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、放射線および機械的制約に厳しい要件を満たす光学および磁石システムを備えた6 TeVミューオンコライダーを設計できるか？
• RQ2 タングステンマスクおよび磁場が、相互作用点付近のビーム誘発バックグラウンド粒子をどの程度抑制できるか？
• RQ3 MDI領域で、放射線負荷を3桁以上低減するために必要な遮蔽構成は何か？
• RQ4 Nb3Sn超伝導巻線における応力レベルは、高磁場運転下での磁石性能および信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 3 TeVアーキテクチャセル設計の再スケーリングは、6 TeVコライダーにおけるラティス安定性およびビームダイナミクスにどのような影響を及えるか？

主な発見

• 提案された6 TeVミューオンコライダー設計では、相互作用点におけるβ*-star = 3 mmを採用することで、高輝度を達成しつつビーム安定性を維持している。
• IPからの距離が6–600 cmの範囲に配置されたタングステンマスクおよびノズルは、崩壊電子および非一様なe+e−対を効果的に捕捉し、バックグラウンドフラックスを低減している。
• タングステン、鉄、コンクリート、ホウ素ドーピングポリエチレンを組み合わせた積層遮蔽システムにより、総放射線バックグラウンド負荷が3桁以上低減された。
• コス・コイルを用いたNb3Sn巻線は高磁場運転を可能にするが、破壊的であるとされる超伝導巻線の劣化や損傷を防ぐために、応力管理を慎重に行う必要がある。
• アーキテクチャラティス設計は3 TeVプロトタイプから再スケーリングされており、ビームダイナミクスおよび放射線防護要件を満たす形で維持されている。
• 光学、磁石、MDIの統合的設計が不可欠であり、放射線および機械的制約が直接的にラティスおよび磁石選定を制限するためである。