[論文レビュー] High Energy Hadron Colliders - Report of the Snowmass 2013 Frontier Capabilities Hadron Collider Study Group

W. Barletta, M. Battaglia+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

Snowmass 2013年の報告書は、高エネルギー陽子衝突型加速器の継続的開発を提唱しており、特にハイ・リューミナリティLHC（HL-LHC）と将来の100 TeV陽子衝突型加速器を優先している。高輝度化とエネルギー向上を実現するためにはNb3Sn超伝導磁石技術が不可欠であり、これは標準模型を超える新物理の発見を可能にする。米国は、成功に不可欠な研究開発において、強い関与を示している。

ABSTRACT

High energy hadron colliders have been the tools for discovery at the highest mass scales of the energy frontier from the SppS, to the Tevatron and now the LHC. This report reviews future hadron collider projects from the high luminosity LHC upgrade to a 100 TeV hadron collider in a large tunnel, the underlying technology challenges and R&D directions and presents a series of recommendations for the future development of hadron collider research and technology.

研究の動機と目的

• LHCの発見可能性を最大限に活用するため、ハイ・リューミナリティLHC（HL-LHC）のアップグレードを実施すること。
• LHCのトンネルを超えた将来の100 TeV陽子衝突型加速器（VHE-LHC）の実現可能性と技術的要件を評価すること。
• 特にNb3Snおよび将来のHTS（高臨界温度超伝導体）を含む高度な超伝導磁石技術が、将来のエネルギー・フロントの加速器の基盤を占めるべきであることを確立すること。
• 米国が磁石の研究開発において持続的なリーダーシップを発揮し、CERNおよびそれ以上の分野での発見可能性を最大化する国際的協力を推進すること。
• 高エネルギー陽子衝突型加速器の設計研究への参加を通じて、米国の長期的高エネルギー物理学ロードマップをガイドすること。

提案手法

• 相互作用領域に150 mmの開口部を持つNb3Sn四極磁石を用い、β∗の低減により、3000 fb⁻¹の統合輝度を達成するためのHL-LHCアップグレードを提案する。
• LARPコンsortiumが開発したNb3Sn超伝導技術に依拠し、12 Tを超える磁場を達成することで、NbTiの限界を超える。
• Nb3Sn磁石を用いたHE-LHC（26–33 TeVの中心系エネルギー）と、より大きなトンネルに20 TのHTS磁石を用いたVHE-LHC（100 TeV）の両方の選択肢を評価する。
• 高エネルギーでのシンクロtron放射線の影響を分析し、熱負荷を管理するためのビームスクリーン冷却ソリューションおよびコールドフィンガー光遮断部を提案する。
• 冷却系の電力要件をモデル化し、トンネル長の増加とシンクロtron放射線の影響により、100 TeV加速器では150–200 MWの電力が必要と推定する。
• 50 TeV/ビームでのシンクロtron放射線による強い横方向の減衰を考慮し、ビーム安定性が向上し、減衰時間が約30分程度に短縮されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCで3000 fb⁻¹の統合輝度を達成するために直面する主な技術的・工学的課題は何か？
• RQ2 Nb3Sn超伝導磁石技術は、将来の陽子衝突型加速器におけるより高いエネルギーと輝度を実現するために、どの程度可能にするか？
• RQ3 より大きなトンネルを新設して100 TeV陽子衝突型加速器を建設する場合の実現可能性とコストへの影響は何か？
• RQ4 ビーム安定性を損なわず、磁石の開口部を拡大せずに、高エネルギー陽子衝突型加速器におけるシンクロtron放射線をどのように管理できるか？
• RQ5 将来の高磁場磁石の長期的R&Dを支援するために、米国が果たすべき役割は何か？

主な発見

• HL-LHCのアップグレードは、3000 fb⁻¹の統合輝度を達成するために不可欠であり、高精度な測定と希少過程の探索を可能にする。
• HL-LHCに必要なNb3Sn超伝導磁石は、12 Tを超えるピーク磁場を発生させる必要があり、LARPによる開発が成功の鍵を握る。
• Nb3Sn技術は、LHCトンネル内で26 TeVの中心系エネルギーを実現可能であり、20 TのHTS磁石を用いることで33 TeVのエネルギーまで到達可能である。
• 新たなトンネルに100 TeV陽子衝突型加速器を建設することは、原則として可能であるが、磁石技術、冷却技術、熱管理技術の大幅な進歩を要する。
• 50 TeV/ビームでのシンクロtron放射線は、横方向の減衰を強く働きかけ（約30分の時間スケール）、ビーム安定性を顕著に向上させる。
• 100 TeV加速器の冷却系電力要件は150–200 MWと推定され、コストの主要因であり、システム的挑戦ともなる。