[論文レビュー] Muon Collider Forum Report

K. M. Black, S. Jindariani+184 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 7

ひとこと要約

本レポートは、素粒子物理学の次世代のフロンティアとして、マルチTeV級ミューオン衝突機の包括的かつ強力な根拠を提示している。高エネルギーでクリーンなレプトン的環境を提供し、精度測定および新物理の発見を可能にする。米国主導の協働的取り組みとして、加速器技術、検出器システム、および素粒子物理学のシミュレーションの開発を国際ミューオン衝突機協会（IMCC）と連携して推進し、将来の米国実証用装置および概念設計レビュー（CDR）のための候補地としてフェルミラブを位置づけている。

ABSTRACT

A multi-TeV muon collider offers a spectacular opportunityin the direct exploration of the energy frontier. Offering acombination of unprecedented energy collisions in a comparativelyclean leptonic environment, a high energy muon collider has theunique potential to provide both precision measurements and thehighest energy reach in one machine that cannot be paralleled by anycurrently available technology. The topic generated a lot ofexcitement in Snowmass meetings and continues to attract a largenumber of supporters, including many from the early careercommunity. In light of this very strong interest within the USparticle physics community, Snowmass Energy, Theory and Accelerator Frontiers created a cross-frontier Muon Collider Forum in Novemberof 2020. The Forum has been meeting on a monthly basis and organizedseveral topical workshops dedicated to physics, accelerator technology, and detector R&D. Findings of the Forum are summarizedin this report.

研究の動機と目的

• マルチTeV級ミューオン衝突機を米国エネルギー・フロンティア素粒子物理学計画の柱とする強固な科学的・技術的基盤を確立すること。
• 将来の概念設計および実証計画を支援するため、加速器物理学、検出器の研究開発、理論物理学分野における米国の取り組みを統合的に調整すること。
• 国際ミューオン衝突機協会（IMCC）と連携した統合的設計研究を通じて、フェルミラブを米国ベースのミューオン衝突機の主要な立地として位置づけること。
• 研究開発能力を再構築し国際的取り組みと整合化することで、米国の高エネルギー物理学コミュニティを活性化させること。
• 次回のスノーマス・プロセスに間に合わせるため、フェルミラブ立地のミューオン衝突機の前概念設計報告書（pre-CDR）を準備すること。

提案手法

• IMCCを模範として、加速器、検出器、理論の各分野のコミュニティを統合する米国ミューオン衝突機協会（MCC）を設立すること。
• 過去のミューオン加速器計画（MAP）の米国における既存の専門知識を活用し、国立研究所および大学における研究開発チームを再構築すること。
• CLICベースの設計を含む検出器概念を適応・最適化するとともに、性能向上とビーム誘発バックグラウンド低減を目的とした代替設計の探求を進める。
• フェルミラブのシミュレーションツールと米国の大学の専門知識を活用し、高エネルギーミューオン衝突をモデル化する高度なビームダイナミクスおよびバックグラウンド（BIB）シミュレーション研究を実施する。
• ヒッグス物理学、ダークマター、自然性、フレーバー物理学の現象論的研究を統合し、現実的なイベント生成とシミュレーションを用いて物理学的根拠を明確化する。
• IMCCを通じた国際的連携を図り、CERNでの実証プロジェクトへの参加および共同技術開発に取り組む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 技術的リスクを最小限に抑えつつ、物理学的到達範囲と精度を最大化する高エネルギーミューオン衝突機の最適設計は何か？
• RQ2 米国機関は、IMCCおよび将来の実証プログラムに実質的な貢献を果たすために、どのように加速器研究開発能力を再構築し拡大すればよいか？
• RQ3 高多重性・高バックグラウンド環境下での高精度測定を実現するにあたり、どの検出器技術と構成が最適か？
• RQ4 ビーム冷却、加速、位相空間操作をどのように最適化すれば、衝突用に高品質でモノクローマチックなミューオンビームを生成できるか？
• RQ5 特にヒッグス、ダークマター、g-2分野において、10TeV級ミューオン衝突機で追求可能な、最も説得力のある物理学的課題は何か？

主な発見

• マルチTeV級ミューオン衝突機は、現在のいかなる技術とも比較できないクリーンなレプトン的環境を提供し、精度測定および高エネルギー物理学に画期的な利点をもたらす。
• 米国の素粒子物理学コミュニティは、ミューオン衝突機の概念に対して強い継続的関心を示しており、若手研究者や主要機関からの積極的な関与が見られる。
• フェルミラブは、既存の加速器インfraとニュートリノ物理学プログラムの強みから、米国ミューオン衝突機の候補立地として特に適している。
• 米国ミューオン衝突機協会（MCC）を再構築し、MAPの遺産的専門知識を活用することで、pre-CDR設計文書への迅速な進捗が可能となる。
• IMCCとの協力およびCERNでの実証プロジェクトへの参加は、グローバルな調整と技術の妥当性評価に不可欠である。
• 現実的な物理学のシミュレーションと検出器最適化研究が不可欠であり、特にビーム誘発バックグラウンド（BIB）低減が、高度なシミュレーションを要する主要な技術的課題として特定されている。