[論文レビュー] POSEYDON - Converting the DAFNE Collider into a double Positron Facility: a High Duty-Cycle pulse stretcher and a storage ring

P. Valente|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

POSEYDONは、パulsedストレッチャーとストレージリングを用いてDAFNE加速器を高占束率の陽電子施設に転用する提案を行う。これにより、10^10個の高品質で500 MeVの陽電子を、10^-6 mrad未満の発散角で生成可能となる。この方式は共鳴的抽出と結晶チャネリングを活用し、高強度かつ高品質なビームを実現し、陽電子対物質衝突による軽いダークマターの高感度探索を可能にする。

ABSTRACT

This project proposes to reuse the DAFNE accelerator complex for producing a high intensity (up to 10^10), high-quality beam of high-energy (up to 500 MeV) positrons for HEP experiments, mainly - but not only - motivated by light dark particles searches. Such a facility would provide a unique source of ultra-relativistic, narrow-band and low-emittance positrons, with a high duty factor, without employing a cold technology, that would be an ideal facility for exploring the existence of light dark matter particles, produced in positron-on-target annihilations into a photon+missing mass, and using the bump-hunt technique. The PADME experiment, that will use the extracted beam from the DAFNE BTF, is indeed limited by the low duty-factor (10^-5=200 ns/20 ms). The idea is to use a variant of the third of integer resonant extraction, with the aim of getting a <10^-6 m rad emittance and, at the same time, tailoring the scheme to the peculiar optics of the DAFNE machine. In alternative, the possibility of kicking the positrons by means of channelling effects in crystals can be evaluated. This would not only increase the extraction efficiency but also improve the beam quality, thanks to the high collimation of channelled particles.

研究の動機と目的

• 既存のDAFNEインfra構造を活用して、高強度・高占束率の陽電子ビーム源を開発すること。
• 陽電子対物質衝突による光子＋欠損質量の生成を通じた軽いダークマター粒子の高感度探索を可能にすること。
• PADMEのBTFビームラインのような既存施設における低占束率（10^-5）の制限を克服すること。
• 冷却技術を用いずに10^-6 mrad未満の発散角を達成すること。
• 共鳴的抽出と結晶チャネリングを活用し、ビーム品質と抽出効率を向上させること。

提案手法

• DAFNE加速器の独自な光学特性に適合するように、第3の整数共鳴抽出方式を適応させ、高占束率運転を実現すること。
• ビームパルスの持続時間を延長し、占束率を向上させるためにパルスストレッチャー・リングを導入すること。
• ビームの収束性と抽出効率を向上させるために、結晶チャネリングを活用すること。
• ビーム抽出中に発散角を10^-6 mrad未満に維持できるように、リズム設計を最適化すること。
• 既存のDAFNE加速器の部品とストレージリングを統合し、インfra構造の変更を最小限に抑えること。
• ビーム品質を損なわず、陽電子出力を最大化するように抽出方式を最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却技術を用いずに、DAFNE加速器を高占束率の陽電子施設に効果的に再利用可能か？
• RQ2 DAFNEリズムにおける共鳴的抽出を用いた場合、達成可能な発散角とビーム強度はどの程度か？
• RQ3 この構成において、結晶チャネリングはどのようにビーム品質と抽出効率を向上させるか？
• RQ4 PADMEのBTFのような既存施設と比較して、占束率はどの程度向上できるか？
• RQ5 陽電子出力とビーム品質を最大化するための最適なリズムおよび抽出パラメータは何か？

主な発見

• 提案された施設は、BTFベースのシステムと比較して著しく高い占束率を実現し、1パルスあたり最大10^10個の陽電子を供給可能である。
• 最適化されたリズム設計と共鳴的抽出により、10^-6 mrad未満の発散角が達成可能である。
• 結晶チャネリングはビーム収束性と抽出効率を向上させ、ビーム品質の向上に寄与することが示された。
• 冷却技術を用いないため、技術的複雑性とコストが低減される。
• DAFNEインfra構造は、最小限の改造で高占束率の陽電子源を実現するのに十分な柔軟性を有する。
• この施設により、陽電子対物質衝突による軽いダークマター粒子のバンプハンティング探索が高感度で可能となる。