[論文レビュー] eRHIC Design Study: An Electron-Ion Collider at BNL

E. C. Aschenauer, Baker, M. D.+45 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 6被引用数 71

ひとこと要約

本論文は、ブルークヘン国立研究所のRHIC施設をコスト効率の良い形でアップグレードし、電子-陽子衝突型加速器を実現するeRHICの設計研究を提示する。既存のハドロンビームに極化した電子ビームを統合することで、15.9 GeVの電子ビームエネルギー下で10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹のランクスミティを達成し、ヌクレオンおよび核内のクォーカー構造とQCDダイナミクスの精密な研究が可能になる。

ABSTRACT

This document presents BNL's plan for an electron-ion collider, eRHIC, a major new research tool that builds on the existing RHIC facility to advance the long-term vision for Nuclear Physics to discover and understand the emergent phenomena of Quantum Chromodynamics (QCD), the fundamental theory of the strong interaction that binds the atomic nucleus. We describe the scientific requirements for such a facility, following up on the community-wide 2012 white paper, 'Electron-Ion Collider: the Next QCD Frontier', and present a design concept that incorporates new, innovative accelerator techniques to provide a cost-effective upgrade of RHIC with polarized electron beams colliding with the full array of RHIC hadron beams. The new facility will deliver electron-nucleon luminosity of 10^33-10^34 cm-1sec-1 for collisions of 15.9 GeV polarized electrons on either 250 GeV polarized protons or 100 GeV/u heavy ion beams. The facility will also be capable of providing an electron beam energy of 21.2 GeV, at reduced luminosity. We discuss the on-going R&D effort to realize the project, and present key detector requirements and design ideas for an experimental program capable of making the 'golden measurements' called for in the EIC White Paper.

研究の動機と目的

• ブルークヘン国立研究所に、コスト効率の良い施設型の電子-陽子衝突型加速器（eRHIC）を構築し、核物理学研究を前進させること。
• 2012年EICホワイトペーパーで特定された科学的要件を満たし、ヌクレオンおよび核内のクォーカーのスピンおよび運動量構造を調べること。
• 高ランクスミティで極化した電子-陽子衝突を実現し、強い相互作用領域における量子色力学（QCD）のダイナミクスを研究すること。
• 既存のRHICインfraに革新的な加速器技術を統合し、建設コストを最小限に抑え、科学的成果を最大化すること。
• EIC物理学計画の「ゴールデン測定」を達成するための主要な検出器要件と実験プログラム設計を定義すること。

提案手法

• eRHICの基盤として、既存のRHIC加速器コンプレックスを活用し、新規建設を最小限に抑え、コストを削減する。
• 高輝度で極化した電子ビームを生成するため、超伝導磁石とエネルギー回収型リニアック（ERL）技術を備えた新しい電子リングを実装する。
• 250 GeVの極化した陽子または100 GeV/uの重イオンと衝突するため、電子ビームエネルギーを15.9 GeV（低ランクスミティで21.2 GeVまで）に達成する。
• エネルギー回収技術を採用することでビーム効率を向上させ、消費電力を削減し、高平均電流および高ランクスミティを実現する。
• ビーム加速および衝突中に偏極状態を維持できるように、極化電子源とスピンローターを統合する。
• 必要なランクスミティとダイナミックアパーチャを達成するとともに、ビーム品質および安定性を保持するため、ビーム光学およびラティス構成を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のRHICインfraに統合された高ランクスミティの電子-陽子衝突型加速器を、最小限のコストでどのように設計できるか？
• RQ2 15.9 GeVの極化電子ビームを10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹のランクスミティで供給するために必要な加速器技術は何か？
• RQ3 ヌクレオンおよび核内のクォーカー分布の「ゴールデン測定」を実現するための最適なビームパラメータおよび構成は何か？
• RQ4 エネルギー回収型リニアック（ERL）技術をどのように実装すれば、衝突環境下で高ビーム電流および高効率を維持できるか？
• RQ5 eRHICの物理学的ポテンシャルを最大限に活用するために、どのような検出器システムと実験構成が必要か？

主な発見

• eRHICは15.9 GeVの電子ビームエネルギーで、電子-陽子ランクスミティ10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹を達成し、EIC計画の主な性能目標を満たしている。
• 低ランクスミティ下で最大21.2 GeVまでの電子ビームエネルギーをサポートしており、QCD研究のための広い運動量領域をカバーできる。
• エネルギー回収型リニアック（ERL）技術の採用により、高ビーム電流と高効率が実現され、消費電力と運用コストが削減される。
• 施設は、陽子および重イオン（100 GeV/u）の両方に対して極化電子ビームを供給可能であり、核の周期表にわたるスピン物理学を支援する。
• 高ランクスミティとビーム品質を維持するため、超伝導磁石や高度なビーム光学といった革新的な加速器技術を統合している。
• R&Dロードマップを包括的に提示し、ヌクレオンおよび核内のクォーカー分布関数およびスピン構造の「ゴールデン測定」を実現するための主要な検出器要件を定義している。