[論文レビュー] Expression of Interest in R&D towards a Neutrino Factory Based on a Storage Ring and a Muon Collider

Kirk T. McDonald|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 1999

Neutrino Physics Research参考文献 52被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、ミューオン貯蔵リングとミューオン衝突機を組み合わせたニュートリノファクトリーの構想を提示している。高パワーのプロトンビームを用いてパイオンドを生成し、それが崩壊してミューオンを発生させ、冷却・加速・貯蔵することで、高強度で良好に特徴付けられたニュートリノビームを生成する。主な貢献は、精度の高いニュートリノファクトリーとミューオン衝突機の実現に向けて、加速器物理学を前進させる包括的なR&Dロードマップを提示したことである。米国と欧州における技術的課題と共同研究の機会を強調している。

ABSTRACT

We are exploring the feasibility of a neutrino factory based on a muon storage ring. In this, beams of nu_mu and nubar_e arise from the decay of mu- particles (or alternatively, nubar_mu and nu_e from mu+). The muons come from the decay of low-energy pions produced by a megawatt proton beam incident on a nuclear target. The muons are captured into a magnetic channel, "cooled" by ionization in liquid hydrogen, accelerated to energy of order 50 GeV, and injected into a storage ring. A nonhorizontal ring can deliver neutrino beams to an on-site detector, as well as to two off-site detectors separated by global distances. Such a neutrino factory is a challenging extension of present accelerator technology. It is also a natural path to a muon collider, in that both facilities share many common elements upstream of their storage rings. Prior to a formal design study, R&D must be performed in several keys areas, such detailed simulations and actual targetry and cooling experiments. This in an excellent opportunity to advance the field of accelerator physics both at national laboratories and at universities.

研究の動機と目的

• ニュートリノの質量、混合角、CP違反を正確に測定できる、次世代の加速器ベースのニュートリノ実験を確立すること。
• 高強度プロトンビームからのパイオンド崩壊によって生じるミューオンを用いて、高強度で良好にコリメートされたニュートリノビームを生成する課題に取り組むこと。
• 貯蔵リングの上遊で共通のR&Dインfraや技術を活用することで、ミューオン衝突機への道筋を確立すること。
• 実現可能性に不可欠な主要なR&D分野（例えば、イオン化冷却、RFキャビティ、高パワー標的）を特定・優先順位付けすること。
• 公式のMREプロポーザルに備えるために、大学主導のR&Dを開始するためのNSFによる早期資金支援を提言すること。

提案手法

• メガワットクラスのプロトンビームを核標的に照射し、スパラレーション反応によってパイオンドを生成する。
• 磁場チャネルを用いて二次的なミューオンを捕集し、液体水素を用いたイオン化冷却により横方向の発散を低減する。
• 位相回転とリサイクル型リニアックを用いて、ミューオンを2 GeVから50 GeVまで加速する。
• 非水平な貯蔵リングに50 GeVのミューオンを貯蔵し、ミューオン崩壊によってコリメートされたニュートリノビームを生成する。
• ニュートリノファクトリーとミューオン衝突機の両方に同じ加速器チェーンを適用し、貯蔵リングを共通要因とする。
• 米国と欧州で、パイオンド生成測定、液体水素内でのミューオン散乱、RFキャビティの放射線耐性試験などのターゲットR&D実験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体水素内でのイオン化冷却が、効率的な貯蔵とビーム生成を可能にするために、ミューオン発散を十分に低減できるか？
• RQ2 4 MW以上を達成可能な高パワーのプロトン駆動源および標的システムを設計するにあたり、どのような重要な技術的課題が存在するか？
• RQ3 パイオンド捕集および位相回転システムに使用する際、RFキャビティを放射線および高電場に耐えうるように設計するにはどうすればよいか？
• RQ4 現実の放射線および磁場環境下で、ミューオン冷却および加速システムの性能限界はどこにあるか？
• RQ5 ニュートリノファクトリー設計を、十分な技術的・財政的妥当性を備えた高精度ミューオン衝突機に拡張可能か？

主な発見

• 大気・太陽・加速器由来のニュートリノ振動データは、ニュートリノが質量を持ち、3つのフレーバー間で混合していることを示しており、これに応える高精度実験の必要性が生じている。
• ミューオン貯蔵リングを基盤とするニュートリノファクトリーは、混合角およびCP違反の長基準距離測定に適した、良好に特徴付けられた高強度ニュートリノビームを生成可能である。
• 液体水素内でのイオン化冷却は、重要なエンabling技術であるが、材料内での大角度ミューオン散乱の正確な測定に依存する。
• 標的の高パワー化、放射線耐性RFキャビティ、パイオンド断面積のR&Dは、設計の妥当性評価と実現可能性に不可欠である。
• ニュートリノファクトリーとミューオン衝突機は、貯蔵リングの上流で共通の加速器チェーンを共有しており、R&Dとコスト効率の両面で利点がある。
• 欧州と米国のR&Dプログラムは補完的であり、CERN-PSや他の施設での計画された実験により、ミューオンビームダイナミクスおよび材料応答に関する重要な未知要因が解明される。