[論文レビュー] Final Muon Emittance Exchange in Vacuum for a Collider

D. J. Summers, J. G. Acosta+6 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Muon and positron interactions and applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、四極子デュアレット焦点化と短い吸収体を用いた真空中での最終的ミューオン分配率交換を提案し、ミューオン衝突機に不可欠なサブミリメートル級の横断的ビームサイズを達成する。ミューオンビームを17個の部分にスライスし、RF歪み偏向キャビティを用いて入れ替え、21 GeVのリング内で1つのビームに再結合させることで、13%のミューオン崩壊損失と87%のパッケージング効率を達成し、正規化分配率を(0.025, 0.025, 70) mm-radに変換する。

ABSTRACT

We outline a plan for final muon ionization cooling with quadrupole doublets focusing onto short absorbers followed by emittance exchange in vacuum to achieve the small transverse beam sizes needed by a muon collider. A flat muon beam with a series of quadrupole doublet half cells appears to provide the strong focusing required for final cooling. Each quadrupole doublet has a low beta region occupied by a dense, low Z absorber. After final cooling, normalized xyz emittances of (0.071, 0.141, 2.4) mm-rad are exchanged into (0.025, 0.025, 70) mm-rad. Thin electrostatic septa efficiently slice the bunch into 17 parts. The 17 bunches are interleaved into a 3.7 meter long train with RF deflector cavities. Snap bunch coalescence combines the muon bunch train longitudinally in a 21 GeV ring in 55 microseconds, one quarter of a synchrotron oscillation period. A linear long wavelength RF bucket gives each bunch a different energy causing the bunches to drift until they merge into one bunch and can be captured in a short wavelength RF bucket with a 13% muon decay loss and a packing fraction as high as 87%.

研究の動機と目的

• 高出力ミューオン衝突機に必要な超微小な横断的ビーム分配率を達成すること。
• 分配率の増大を最小限に抑え、高い効率で最終的ミューオンイオン化冷却を実現すること。
• 最終冷却後の効果的なビーム圧縮と再結合を可能にし、衝突機の出力 luminosity を最大化すること。
• 最終的ビーム圧縮およびキャプチャプロセス中のミューオン崩壊損失を最小限に抑えること。
• 既存のRFおよび磁気素子を用いた、実用的でスケーラブルな真空中最終分配率交換スキームの開発

提案手法

• 最終的イオン化冷却中に強い焦点化を提供するため、低β領域に高密度で低Zの吸収体を含む四極子デュアレット半セルを用いる。
• 薄い静電セプタを用いて1つのミューオンビームを17個の横方向に分離された部分にスライスする。
• RF歪み偏向キャビティを用いて17個のビームを3.7メートルの長さの列に、制御された縦方向間隔で入れ替える。
• 線形の長波長RFバケツを適用し、エネルギー差を誘発することで、ビームが漂移し、1つのビームに合体するようにする。
• 合体したビームを短波長RFバケツにキャプチャし、最小限の損失で最終ビームを安定化させる。
• 残留ガスとの相互作用によるビーム劣化を回避するため、真空中で分配率交換を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空中での最終的ミューオン分配率交換が、ビーム品質を保持する上で効果的に実施可能かどうか。
• RQ2 21 GeVのリング内でビーム再結合を行う際の達成可能なパッケージング効率と崩壊損失はどの程度か。
• RQ3 1つのミューオンビームがどれだけ効率的にスライスされ、入れ替えられ、再結合して高密度ビームとなるか。
• RQ4 最終冷却および真空中分配率交換後に達成可能な分配率値は何か。
• RQ5 RF歪みとエネルギーチーミングの組み合わせが、最小限の損失で安定的かつ効率的なビーム再結合を可能にするか。

主な発見

• 四極子デュアレットと短い吸収体を用いた最終冷却により、x、y、z方向の正規化分配率がそれぞれ(0.071, 0.141, 2.4) mm-radに達する。
• 分配率交換により、これらの値は(0.025, 0.025, 70) mm-radに変換され、衝突機適合性に向けた横方向分配率が顕著に低減される。
• 17ビームの入れ替えられた列は55マイクロ秒で1つのビームに再結合され、これはシンクロトロン振動周期の1/4に相当する。
• 短波長RFバケツにおけるスナップビーム再結合により、13%のミューオン崩壊損失が生じるが、これは実用的衝突機運用にとって許容可能である。
• パッケージング効率は最大で87%に達し、利用可能なビーム強度を効率的に活用していることを示している。
• 高精度かつ最小限のビーム劣化で実現可能な真空中ベースの分配率交換の実現可能性が示された。