[論文レビュー] FNAL PIP-II Accumulator Ring

W. Pellico, Chandra R. Bhat+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのPIP-IIブースター転送ライン領域に、0.8 GeV（将来1+ GeVまでアップグレード可能）の永久磁石型蓄積リング（PAR）の設計および構築を提案する。これにより、将来の高出力ニュートリノおよびダークセクター物理学計画におけるブースターへの高強度陽子ビーム注入が可能になる。PARにより、連続波（CW）リニアック運転が可能となり、注入損失が低減され、RF位相ロックが簡素化され、ダークセクター実験に向けた100 kWを超えるビーム出力を実現する。8 GeVニュートリノ計画では、予想される87 kWのビーム出力が得られる。

ABSTRACT

The FNAL accelerator complex is poised to reach MW neutrino beams on target for the exploration of the dark sector physics and rare physics program spaces. Future operations of the complex will include CW linac operations at beam intensities that have not been seen before \cite{PIP2,RCS_LOI}. The ambitious beam program relies on multi-turn H$^{-}$ injection into the FNAL Booster and then extracted into delivery rings or the Booster Neutrino Beam (BNB) 8 GeV HEP program. A new rapid-cycling synchrotron (RCS) will be required to reach the LBNF goal of 2.4 MW because of intense space-charge limitations. There are many accelerator engineering challenges that are already known and many that will be discovered. This proposal calls for an intermediate step that will both facilitate the operation of Booster in the PIP-II era and gain operational experience associated with high power injection rings. This step includes the design, construction and installation of a 0.8 GeV accumulator ring (upgradeable to 1+ GeV) to be located in the PIP-II Booster Transfer Line (BTL). The PIP-II accumulator ring (PAR) may be primarily designed around permanent magnets or use standard iron core magnet technology with an aperture selected to accommodate the desired high intensity protons at 0.8 GeV.

研究の動機と目的

• 未だかつてないほどのビーム強度で、PIP-IIブースターへの高強度陽子ビーム注入の課題に対処すること。
• H⁻ストリッピングおよびビーム蓄積を専用リングに移管することで、ブースター内の注入損失と運用複雑性を低減すること。
• 将来の2.4 MWニュートリノビーム計画およびダークセクター物理学実験に向けた、高出力連続波（CW）ビーム運転を可能にすること。
• PIP-IIインfraストラクチャを活用した将来のビームエネルギー上昇および新規物理学計画に対応可能な柔軟でアップグレード可能なプラットフォームを提供すること。
• 100トンのLArスチルレーションオンリーディテクタ（PIP2-BD）を世界最高感度で実現することで、ダークセクター物理学への道筋を加速すること。

提案手法

• PIP-IIブースター転送ライン（BTL）領域に、全周长约477 mの折りたたみ型0.8 GeV蓄積リング（PAR）を設計。ブースターの半分の周囲長を活用する。
• ネオジム鉄ボランチッド（Nd2Fe14B）またはサマリウムコバルト（Sm2Co17）の永久磁石技術を採用し、3.1インチのアパーチャー内で約0.3 Tの磁場を実現。これにより、ゼロ電力運転が可能となり、信頼性が向上する。
• PIP-IIリニアックからの1ターン注入を実施し、PAR内でビームを蓄積した後、ブースターに転送して8 GeVまで加速する。
• 長手直線部にRFキャビティおよび抽出ハードウェアを統合。注入領域ではシールドとビームダンプ設計によりビーム損失を低減する。
• PARのRFをPIP-IIリニアックのRFに位相ロックすることで、ブースターRFへのロックと比較して同期が簡素化される。
• Geant4およびBdNMCを用いたビームダイナミクスと検出器反応のシミュレーションにより、提案された100トンLAr検出器（PIP2-BD）におけるダークマター信号およびCEvNS背景の感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の2.4 MWニュートリノビーム計画に必要なビーム強度および出力レベルを満たす0.8 GeV永久磁石蓄積リングを設計可能か？
• RQ2 PARにビーム蓄積およびH⁻ストリッピングを移管することで、ブースター内の注入損失と運用安定性がどの程度改善されるか？
• RQ3 PARを用いたダークセクター物理学実験で達成可能なビーム出力はどの程度か？また、レプトフィル的およびベクトルポータル型ダークマターに対する世界最高感度を達成可能か？
• RQ4 PARにより、PIP-IIおよびDUNE計画におけるRF同期がどの程度簡素化され、ランプアップ時間が短縮されるか？
• RQ5 PAR設計は、PIP-IIリニアックからのより高いビームエネルギーを受容可能であり、大幅な改造なしにアップグレード可能か？

主な発見

• PAR設計により、ダークセクター物理学では100 kWを超えるビーム出力が可能となり、8 GeVニュートリノ計画では予想される87 kWのビーム出力が得られる。
• 折りたたみリングレイアウトにより、ブースターの半分の周囲長を活用し、PIP-II BTL領域にコンactな敷地を確保しつつ、PIP-II建設への影響を最小限に抑える。
• 永久磁石技術により、消費電力が低減され、信頼性が向上し、組立コストも低下する。3.1インチアパーチャー内でのベースライン磁場は約0.3 Tである。
• PARのRFをPIP-IIリニアックのRFに位相ロックすることで、ブースターRFへのロックと比較して同期が簡素化され、注入安定性が向上する。
• PARの直後18 m地点に配置された炭素ビームダンプを駆動するPIP2-BD検出器は、レプトフィル的およびベクトルポータル型ダークマター模型に対して世界最高水準の90%信頼水準感度を達成する。
• 5年間の運用と75%の稼働率を想定した場合、スカラー型ダークマターの熱的生成密度のターゲットを、1 GeV未満の質量範囲で新たに制限を設けることが可能になる。