[論文レビュー] Positron Sources for Future High Energy Physics Colliders

P. Musumeci, C. Boffo+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、将来のe+e−衝突型加速器向けに、高強度レーザーを用いた逆コンプトン散乱および偏光ブレムストラールャンスを用いた高電流・高偏光度の陽電子源の高度化を提案する。コンパクトでスケーラブルなソリューション（例えば静電トラップやパルス磁石）を提示し、陽電子収率、偏光純度、ビーム捕獲効率を向上させる。主な結果として、パルス磁石を用いることで従来の四分音波変圧器に比べて30%高い捕獲率が得られ、最大60%の陽電子偏光度が達成された。

ABSTRACT

An unprecedented positron average current is required to fit the luminosity demands of future $e^+e^-$ high energy physics colliders. In addition, in order to access precision-frontier physics, these machines require positron polarization to enable exploring the polarization dependence in many HEP processes cross sections, reducing backgrounds and extending the reach of chiral physics studies beyond the standard model. The ILC has a mature plan for the polarized positron source based on conversion in a thin target of circularly polarized gammas generated by passing the main high energy e-beam in a long superconducting helical undulator. Compact colliders (CLIC, C3 and advanced accelerator-based concepts) adopt a simplified approach and currently do not plan to use polarized positrons in their baseline design, but could greatly benefit from the development of compact alternative solutions to polarized positron production. Increasing the positron current, the polarization purity and simplifying the engineering design are all opportunities where advances in accelerator technology have the potential to make a significant impact. This white-paper describes the current status of the field and provides R\&D short-term and long-term pathways for polarized positron sources.

研究の動機と目的

• 次世代e+e−衝突型加速器における光度および精密物理学の要請を満たすために、高平均電流・高偏光度の陽電子ビームの必要性に対応する。
• 成熟したが複雑なILCベースライン設計に代わる、コンパクトでスケーラブルかつ効率的な代替手法を開発し、現在の陽電子源の限界を克服する。
• 現在のベースラインに偏光陽電子を含まない、コンパクト線形衝突型加速器の概念（CLIC、C3、先進加速器）において、偏光制御を可能にする。
• 新規な磁気的およびレーザー基盤の手法を用いて、陽電子捕獲効率、ビーム品質、偏光純度の向上を通じて加速器技術を前進させる。
• 低コストの静電トラップを用いたテストベッドを提供し、大規模実装の前段階でビームダイナミクスおよび輸送を検証する。

提案手法

• 円偏光レーザー光子を高エネルギー電子と逆コンプトン散乱させ、エネルギーの高い偏光付きガンマ線を生成し、陽電子対生成に用いる。
• 偏光を調整した高強度短パルスレーザー（例：2色パルス、弱い楕円偏光ビーム）を用い、ブライト＝ヴェーラー過程におけるスピン依存の陽電子生成を強化する。
• 変換ターゲットの下流にパルス磁石およびフラックス濃縮器を導入し、四分音波変圧器に比べて最大30%の陽電子捕獲効率向上を実現する。
• 高電圧リングとソレノイド磁場を用いた静電陽電子トラップを設計し、低エネルギー陽電子を蓄積・冷却し、相対論的エネルギーへの圧縮と加速に備える。
• アクティブプラズマレンズおよび所定の磁場配置を用いた位相空間マッチング技術を適用し、減衰リングへの注入に適したビームエミッタンスおよび平坦性を向上させる。
• 有効エミッタンスの式 $\epsilon_n = \sqrt{\epsilon_{th}^2 + \mathcal{L}^2}$ を用いたビームダイナミクスのシミュレーションを行い、$\mathcal{L}$ を内在的角運動量とすることでビーム品質を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高強度レーザーを用いた逆コンプトン散乱により、60%を超える偏光度の陽電子ビームを生成できるか？
• RQ2 パルス磁石は、従来の四分音波変圧器に比べて、どの程度陽電子捕獲効率を向上させられるか？
• RQ3 静電陽電子トラップは、縮小スケールでの陽電子ビーム輸送および捕獲システムの検証に有効なテストベッドとして機能できるか？
• RQ4 ブライト＝ヴェーラー過程におけるスピン依存の陽電子生成を最大化するための最適なレーザーパラメータ（例：強度、偏光、高調波成分）は何か？
• RQ5 コンパクトな陽電子源において、将来の線形衝突型加速器の要件を満たすために、ビームエミッタンスおよび平坦性をどのように制御できるか？

主な発見

• パルス磁石を用いることで、四分音波変圧器に比べて陽電子捕獲効率を最大30%向上でき、ビームスループットが顕著に向上する。
• 2色パルスまたは弱い楕円偏光ビームを用いたレーザー基盤の手法により、60%を超える偏光度の陽電子を生成可能であり、1つのシミュレーションで2-GeV電子ビームから60%の偏光度が達成された。
• 静電トラップは、0.2 mmに圧縮されたバッチ長および最大17.8 MeVのエネルギーを持つ相対論的で平坦な陽電子ビームを生成可能であり、ビームダイナミクスの検証に適している。
• ビームラインにおける有効エミッタンスは、熱的エミッタンスが低い場合、角運動量 ($\mathcal{L}$) に支配され、ILCタイプの応用に最適な平坦ビームの生成が可能になる。
• 理論的解析により、多光子コンプトンおよびブライト＝ヴェーラー過程がスピンに敏感であることが確認され、所定のパルス形状によってレーザー場の対称性を破ることで偏光制御が可能になる。
• 5 MeV電子ビームまたは22Naベータ崩壊を基にしたコンパクトな陽電子源は、1秒間に最大 $10^9$ 個の陽電子を生成でき、将来的な研究開発のスケーラブルなテストプラットフォームを提供する。