[論文レビュー] Muon Colliders

J P Delahaye, M. Diemoz+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Muon and positron interactions and applications被引用数 52

ひとこと要約

本論文は、将来のエネルギーフロンティア・レプトン衝突器としてのミューオンコライダーの物理ケース、設計概念、R&Dの進展、推奨事項を、陽子駆動および陽電子駆動（LEMMA）アプローチを含めて検討し、背景と検出器の考慮点について論じる。

ABSTRACT

Muon colliders have a great potential for high-energy physics. They can offer collisions of point-like particles at very high energies, since muons can be accelerated in a ring without limitation from synchrotron radiation. However, the need for high luminosity faces technical challenges which arise from the short muon lifetime at rest and the difficulty of producing large numbers of muons in bunches with small emittance. Addressing these challenges requires the development of innovative concepts and demanding technologies. The document summarizes the work done, the progress achieved and new recent ideas on muon colliders. A set of further studies and actions is also identified to advance in the field. Finally, a set of recommendations is listed in order to make the muon technology mature enough to be favourably considered as a candidate for high-energy facilities in the future.

研究の動機と目的

• ミューオンコライダーの物理ポテンシャルを、同等のエネルギーのハドロン衝突器およびレプトン衝突器と比較して評価する。
• 特にミューオン寿命、冷却、および背景対策などの技術的課題を概説し、概念設計を提案する。
• 既存のミューオンコライダー概念（プロトン・ドライバーおよび陽電子ドライバー/LEMMA）と、それらに必要なR&Dロードマップを要約する。
• ミューオン崩壊およびニュートリノ放射から生じる検出器背景と、それらが施設の立地に及ぼす影響を評価する。
• 概念設計報告書へ向けた国際協力とロードマップに関する戦略的提言を提供する。

提案手法

• ミューオンコライダーのエネルギー到達幅をプロトン-プロトン衝突器と比較し、レプトンレベルでの直接的エネルギー利用可能性を示す。
• プロトン・ドライバーおよび陽電子ドライバー（LEMMA）スキームと、それらの主要構成要素（冷却、加速、高磁場磁石を含む）を説明する。
• MAP、MICE、および磁場中のRF、イオン化冷却概念、高磁場磁石に関する関連研究のR&D進展を要約する。
• MAP研究に基づく機械-検出器界面および背景低減戦略について論じる。
• CDRへ向けた国際協力とステージング研究の戦略計画と提言を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同等エネルギーでのハドロン衝突器と比較した場合、ミューオンコライダーが直接的および間接的な新物理へ到達できる潜在的範囲はどれか？
• RQ2 主な技術的課題（冷却、寿命、背景）と、マルチ-TeVミューオンコライダーに対する実現可能な解決策は何か？
• RQ3 プロトン・ドライバーと陽電子ドライバー（LEMMA）アプローチは、実現性、ルミノシティ、背景への影響の点でどのように比較されるか？
• RQ4 ミューオン崩壊およびニュートリノ放射背景から生じる検出器および立地上の配慮事項は何か、どのように低減できるか？
• RQ5 ミューオンコライダ技術を概念設計報告書へ成熟させるために必要なロードマップと国際協力体制は何か？

主な発見

• ミューオンコライダーはハード衝突のための全エネルギーを提供し、特に高質量最終状態に対して、いくつかの比較では100 TeV以上のプロトン衝突器に匹敵する、あるいは超える潜在力を持つ。
• マルチ-TeVスケールでの高ルミノシティは、ミューオンの減衰損失を緩和するために大規模な6D冷却と迅速な加速を必要とし、冷却チャネルと高磁場磁石に対する集中的なR&Dを推進する。
• 主に2つのスキームが検討されている。広範な冷却と高速加速を伴うプロトン・ドライバー・スキーム、および冷却なしで低エミッションのミューオンを生成して背景を低減することを目指すLow Emittance Muon Accelerator (LEMMA)陽電子ドライバー・スキーム。
• ミューオン崩壊によるビーム背景と関連検出器シールドは重要な設計要因であり、広い開口部を持つ磁石と高度なシールド戦略を必要とする。MAP研究が実現性を知らせる。
• 崩壊ニュートリノ由来の背景は放射線的制約を課し、最終的なコライダーエネルギーとサイトの深さを制限する可能性がある。緩和概念とニュートリノ放射を低減するLEMMAの利点が動機づけられる。
• MICEなどのデモンストレーションを含む段階的で国際的に調整されたR&D努力が必須であり、ミューオンコライダー概念のCDRへ向けた実現可能性研究が必要だ。