[論文レビュー] On the Future High Energy Colliders

Vladimir Shiltsev|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、FCC、ILC、CLICなどの次世代高エネルギー加速器を、エネルギー到達域、性能の潜在的可能性、コストのバランスをとった統一的な枠組みで評価する。将来的な加速器開発を導くための比較分析を提供し、LHCの高インテンシティアップグレードを越えた長期的物理学的インパクトと実現可能性に重点を置く。

ABSTRACT

High energy particle colliders have been in the forefront of particle physics for more than three decades. At present the near term US, European and international strategies of the particle physics community are centered on full exploitation of the physics potential of the Large Hadron Collider (LHC) through its high-luminosity upgrade (HL-LHC). A number of the next generation collider facilities have been proposed and are currently under consideration for the medium and far-future of accelerator-based high energy physics. In this paper we offer a uniform approach to evaluation of various accelerators based on the feasibility of their energy reach, performance potential and cost range.

研究の動機と目的

• LHCを越える次世代高エネルギー加速器の実現可能性と科学的潜在可能性を評価すること。
• エネルギー到達域、性能、コストに基づいて、多様な加速器設計を比較可能な標準化された枠組みを確立すること。
• 中・長期的な加速器ベースの高エネルギー物理学計画を支援するため、中・遠い未来の加速器プロジェクトを評価すること。
• 国際的および国家的な素粒子物理学戦略を、将来の施設への最適投資へと導くこと。
• 将来の加速器プロジェクトにおける、性能、技術的課題、財政的制約のトレードオフをバランスの取れた形で評価すること。

提案手法

• 著者は、エネルギー到達域、光度性能、コスト見積もりを統合した一様な評価指標を、異なる加速器設計に適用する。
• 分析は、FCC、ILC、CLICを含む、将来の加速器の既存技術的設計および概念的研究に基づく。
• 実現可能性は、現在の加速器物理学の原則、技術の成熟度、予想されるR&Dの課題を統合して評価する。
• 性能の潜在可能性は、ビームエネルギー、光度、運用寿命などの主要な加速器パラメータを用いて評価する。
• コスト範囲は、歴史的データ、スケールモデル、およびLHCやILCなどの既存プロジェクトからの外挿に基づいて推定する。
• この手法により、ハドロン加速器とレプトン加速器を含む多様な加速器タイプが、一貫した基準のもとで比較可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる次世代加速器設計間での主な技術的・財政的トレードオフは何か？
• RQ2 将来の加速器のエネルギー到達域は、LHCおよびその高インテンシティアップグレードと比べてどうか？
• RQ3 将来の加速器がその物理学的目標を達成するための重要な性能指標（例：光度、ビーム安定性）は何か？
• RQ4 多様な加速器技術を比較するために、標準化された評価枠組みをどのように適用できるか？
• RQ5 現実的なコストおよび技術的制約の中で、HL-LHCを超える高エネルギー物理学の目標を達成するための最も有望な道筋は何か？

主な発見

• 将来の円形加速器（FCC）の概念は、100 TeVの中心系エネルギーに達する可能性を有する最高のエネルギー到達域を提供する。
• 国際線形加速器（ILC）とコンパクト線形加速器（CLIC）は、高精度なレプトン衝突のための実現可能な選択肢であり、ILCは250 GeVを標的にし、CLICは最大3 TeVに達する。
• FCCのコスト見積もりは、構成やインfraの再利用の有無に応じて150億～200億ドルの範囲にのぼる。
• 本稿では、加速器の性能とコストの間に強い相関関係があると特定した。エネルギーと光度が高くなるほど、顕著に大きな投資が必要となる。
• 評価枠組みにより、コスト当たりの物理学的リターンに基づいた明確なプロジェクト優先順位付けが可能となり、高いエネルギー到達域とやや高いコスト成長を伴うものに有利に評価される。
• 分析は、HL-LHCの開発を近い将来の優先課題として支持するとともに、FCCおよび他の次世代施設への長期的計画を推奨する。