[論文レビュー] Impact of high Q on ILC250 upgrade for record luminosities and path toward ILC380

H. Padamsee, Anna Grassellino+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Electrostatic Discharge in Electronics参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高品質因数（Q）超伝導RF（SRF）キャビティを活用することで、ILC250のアップグレードにより8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度を達成し、偏光を用いることで有効光度2.0×10³⁵ cm⁻²s⁻¹を実現する手法を提案している。このアップグレードには約2.2 B ILCUの費用がかかるが、これによりILC高光度化の総費用は7.7 B ILCUに達し、AC電力消費は267 MWにとどまる。FCC-eeよりコストおよびエネルギー効率に優れる。

ABSTRACT

In this paper, we address the possibility of upgrading the ILC250 luminosity to $8.1 imes 10^{34}$, so that with the polarization feature, the effective luminosity will be $2.0 imes 10^{35}$ to compete with the FCC-ee luminosity and two detectors. The additional cost of the higher luminosity option will be about 2.2 B ILCU. The total cost for the ILC high luminosity machine will therefore be about 7.7 B versus FCC-ee 10.5 B. The AC power (267 MW) to operate the ILC luminosity upgrade will also be less than the AC power for FCC-ee (300 MW). Even with a modest quality factor Q of $1 imes 10^{10}$ for SRF cavities, the total cost of the upgrade will be 2.5 B ILCU additional over ILC250 baseline. We expect that, if approved, ILC250 will first be built at the baseline luminosity, operated for many years at this luminosity, and later upgraded to the high luminosity option. A significant part (RF power and cryo-power) of the additional cost for the luminosity upgrade overlaps with the expected additional costs for anticipated energy upgrade paths. A second ILC upgrade discussed in this paper will be to the higher energy Top Factory at 380 GeV. We also estimate the additional cost of this upgrade (1.5 B ILCU).

研究の動機と目的

• ILC250を8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度にアップグレードして物理的探査範囲を拡大する可能性とコストを評価すること。
• 高Q因数超伝導RFキャビティの導入が、光度アップグレードに伴うコストおよび電力消費の削減に与える影響を評価すること。
• アップグレード済みILC250とFCC-ee加速器の総費用およびAC電力要件を比較すること。
• ILC250から380 GeVの中心系エネルギー（Top Factory）への後続アップグレードの費用および技術的経路を推定すること。

提案手法

• 高Q因数SRFキャビティを用いて、ILC250が8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度を達成する場合のRFおよび冷温技術の電力要件をモデル化する。
• RFおよび冷温技術の電力需要増加に基づき、光度アップグレードに伴う追加費用を推定する。
• アップグレード済みILC（267 MW）のAC電力消費とFCC-ee（300 MW）を比較する。
• 光度アップグレードと将来のエネルギーアップグレード路線（ILC380）との間の費用の重複度を評価する。
• SRFキャビティのベースラインQ因数を1×10¹⁰として、コストと性能のトレードオフを計算する。
• ILC250からILC380への後続アップグレードの費用を予測し、1.5 B ILCUと推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILC250が8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度を達成するには、RFおよび冷温技術の電力がどの程度増加する必要があるか？
• RQ2 Q = 1×10¹⁰の高Q因数SRFキャビティの使用が、ILC250の光度アップグレードにおけるコストおよび電力効率に与える影響は？
• RQ3 ILC250の高光度アップグレードの総費用はいくらか？ また、FCC-eeプロジェクトの費用と比較するとどうなるか？
• RQ4 ILC250から250 GeVから380 GeVの中心系エネルギーにアップグレードするための追加費用および技術的経路は？
• RQ5 光度アップグレードのコストおよび電力要件は、将来のエネルギーアップグレードとどの程度重複しているか？

主な発見

• ILC250の光度アップグレードにより8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹を達成するには、追加で2.2 B ILCUの費用がかかる。これにより、ILC高光度化の総費用は7.7 B ILCUに達する。
• Q因数を1×10¹⁰というわずかに高い値にとどめても、光度アップグレードの総費用は2.5 B ILCUと推定され、キャビティ性能に敏感であることが示された。
• アップグレード済みILC250のAC電力要件は267 MWであり、FCC-eeの300 MWより低い。これは、エネルギー効率の向上を示している。
• 偏光を用いることで有効光度2.0×10³⁵ cm⁻²s⁻¹を達成できるため、ILCはFCC-eeと同等の物理的探査範囲を実現できる。
• ILC250から380 GeVへのエネルギーアップグレード（Top Factory）の費用は1.5 B ILCUと推定されている。
• 光度アップグレードの費用の大部分は、将来のエネルギーアップグレードに想定される費用と重複しており、追加投資を削減できる。