[論文レビュー] Enabling Intensity and Energy Frontier Science with a Muon Accelerator Facility in the U.S.: A White Paper Submitted to the 2013 U.S. Community Summer Study of the Division of Particles and Fields of the American Physical Society

J-P. Delahaye, C. Ankenbrandt+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 38

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、最初にステルラーニュートリノの探索とミューオン冷却の研究開発を目的としたnuSTORMを経て、次に精度の高いニュートリノ物理学を目的としたニュートリノファクトリーに進み、最終的にヒッグス粒子の研究および標準模型を超える新物理を探索する高エネルギーのミューオン衝突機を実現する段階的米国プログラムを提案している。この施設は、統合的な技術開発と物理学的探求を通じて、インテンシティ・フォアグラウンドとエネルギー・フォアグラウンドの両方の科学を可能にする。

ABSTRACT

A staged approach towards muon based facilities for Intensity and Energy Frontier science, building upon existing and proposed facilities at Fermilab, is presented. At each stage, a facility exploring new physics also provides an R&D platform to validate the technology needed for subsequent stages. The envisioned program begins with nuSTORM, a sensitive sterile neutrino search which also provides precision neutrino cross-section measurements while developing the technology of using and cooling muons. A staged Neutrino Factory based upon Project X, sending beams towards the Sanford Underground Research Facility (SURF), which will house the LBNE detector, could follow for detailed exploration of neutrino properties at the Intensity Frontier, while also establishing the technology of using intense bunched muon beams. The complex could then evolve towards Muon Colliders, starting at 126 GeV with measurements of the Higgs resonance to sub-MeV precision, and continuing to multi-TeV colliders for the exploration of physics beyond the Standard Model at the Energy Frontier. An Appendix addresses specific questions raised by the Lepton Colliders subgroup of the CSS2013 Frontier Capabilities Study Group.

研究の動機と目的

• インテンシティ・フォアグラウンドとエネルギー・フォアグラウンドの科学をつなぐ長期的かつ持続可能な米国のミューオンベースの素粒子物理学プログラムを確立すること。
• 高強度で低発散角のミューオンビームを生成する課題に取り組み、精密測定および高エネルギー衝突を可能にすること。
• 段階的で段階的な手法を通じて、ミューオン冷却、ビーム取扱い、加速器システムといった重要な技術を開発・検証すること。
• フェルミラブおよびプロジェクトXの既存インフラを活用することで、米国が次世代素粒子物理学の分野でリーダーとしての地位を確立すること。
• 1 MeV未満のエネルギー分解能を実現するミューオン衝突機の技術的道筋を提供し、標準模型を超える新物理の探索を可能にすること。

提案手法

• フェルミラブに設置された専用施設であるnuSTORMを開始し、ステルラーニュートリノの探索と高精度なニュートリノ断面積測定を実施する。
• ミューオン生成とその後のビーム冷却のための高強度プロトンビームを供給するべく、プロジェクトXを前段の駆動源として活用する。
• イオン化冷却技術を導入してミューオンビームの発散角を低減し、効率的な輸送と加速を可能にする。
• 冷却されたミューオンビームを用いたニュートリノファクトリーを建設し、サランドゥーロンダー・リサーチ・フェイシリティ（SURF）に設置されたLBNE検出器に向けてビームを照射し、ニュートリノ振動の詳細な研究を実施する。
• 高エネルギーで高フルエンスの衝突を126 GeVの中心系エネルギー以上で実現するべく、施設をミューオン衝突機へと段階的に進化させる。
• 各段階を通じて超伝導RFキャビティ、磁気焦点系、ビーム診断技術のR&Dを統合し、将来の段階への技術的準備を確実にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 段階的ミューオン加速器施設は、インテンシティ・フォアグラウンドでニュートリノの性質を精密に測定する一方で、必須のビーム冷却技術の開発を可能にするか？
• RQ2 ミューオン衝突機を用いてヒッグス粒子共鳴状態の研究で1 MeV未満のエネルギー分解能を達成する最適な道筋は何か？
• RQ3 ミューオンビーム冷却および取扱い技術は、順次進行する実験段階を通じてどのように段階的に検証可能か？
• RQ4 フェルミラブのプロジェクトXおよびSURFインフラは、持続可能な米国ミューオン物理学プログラムを支援する上で果たす役割は何か？
• RQ5 ニュートリノファクトリーから高エネルギーのミューオン衝突機に移行するにあたり、必要な技術的および科学的マイルストーンは何か？

主な発見

• nuSTORMは、eVスケールの質量範囲でステルラーニュートリノに対して10^-4から10^-5の感度を達成でき、既存の実験を上回る発見可能性を有する。
• ニュートリノファクトリー段階では、ニュートリノ振動パラメータを1%未満の精度で測定可能なエネルギー分解能と強度を持つニュートリノビームを提供できる。
• 初期段階で検証されたイオン化冷却技術により、ミューオンビームの発散角が100倍以上に低減され、効率的なビームスタッキングと加速が可能になる。
• 126 GeVのミューオン衝突機は、ヒッグス共鳴状態のエネルギー分解能を1 MeV未満に達成でき、精密な結合定数および幅の測定が可能になる。
• 段階的アプローチにより、各段階が科学的成果と重要な技術の検証を同時に提供し、将来のアップグレードのリスクを低減する。
• 全施設のロードマップは技術的に実現可能であり、フェルミラブでの既存のR&Dに支えられており、物理学的目標と加速器技術革新の間に強い相乗効果がある。