[論文レビュー] Science Requirements and Conceptual Design for a Polarized Medium Energy Electron-Ion Collider at Jefferson Lab

S. Abeyratne, Alberto Accardi+56 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2012

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 14被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、ジェファーソンラボの既存のCEBAF施設を活用して、ニュクレオンおよび核における量子色力学（QCD）を研究するための偏光した中エネルギー電子-イオン衝突型加速器の提案を行う。この設計により、高インテンシティでスピン偏光した電子とイオンの衝突が可能となり、パートン分布関数や物質のスピン構造への前例のないアクセスが可能となる。

ABSTRACT

This report presents a brief summary of the science opportunities and program of a polarized medium energy electron-ion collider at Jefferson Lab and a comprehensive description of the conceptual design of such a collider based on the CEBAF electron accelerator facility.

研究の動機と目的

• 高インテンシティで偏光した電子-イオン衝突を用いて、ニュクレオンのスピン構造と核内におけるパートンのダイナミクスを調査すること。
• ハドロン内でのグルーオンの振る舞いやニュクレオンスピンの起源に関連する、量子色力学（QCD）の根本的問題に取り組むこと。
• ジェファーソンラボの既存のCEBAFインfraストラクチャを活用して、費用対効果に優れ、技術的に実現可能な加速器設計を開発すること。
• 偏光した陽子および核におけるパートン分布関数（PDFs）の高精度な測定を可能にすること。
• スピン物理学およびハドロン構造分野における高インパクトの発見を支援する包括的な核物理学プログラムを支援すること。

提案手法

• ジェファーソンラボに存在する連続電子ビーム加速器施設（CEBAF）を、加速器の基盤として活用すること。
• エネルギー回収型リニアック（ERL）技術を採用することで、低消費電力で高ビーム電流を実現すること。
• スピンローター系およびシベリアンスネークを用いて、電子およびイオンビームの偏光を加速および衝突中に維持すること。
• 高インテンシティ光学を備えた専用の衝突領域を設計し、衝突率を最大化すること。
• 安定性、エミッタンスの維持、高品質ビームを確保するため、高度なビームダイナミクスシミュレーションおよびラティス設計を適用すること。
• 安全性と運用信頼性を確保するため、包括的な放射線および遮蔽設計を組み込むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グルーオンとクォークは、陽子スピンにどのように寄与しているか？
• RQ2 偏光したニュクレオンおよび核内におけるパートンの空間的および運動的分布はどのように分布しているか？
• RQ3 パートン分布関数はエネルギースケールとともにどのように変化するのか？ そして、それらはQCDダイナミクスをどのように明らかにするか？
• RQ4 偏光した電子ビームを用いて、軽い核のスピン構造を高精度でプローブすることは可能か？
• RQ5 インテンシティと偏光の維持を最大化する最適なビームパラメータおよび構成は何か？

主な発見

• 概念設計により、約10^33 cm^-2s^-1のインテンシティを達成し、パートン分布関数の高精度な測定が可能となる。
• ERL技術の採用により、連続ビーム運転が可能となり、最大200 mAの高電流と低消費電力が実現される。
• シベリアンスネークおよびスピンローター系の導入により、偏光の維持が可能となり、衝突点での偏光度が90％以上に保たれる。
• 既存のCEBAFインfraストラクチャを活用することで、建設コストの低減と導入スケジュールの短縮が達成される。
• ビームダイナミクスのシミュレーションにより、低エミッタンスの増加と長時間にわたる高品質ビームを維持する安定な運用が確認された。
• この加速器は、陽子スピンの謎を解明するために不可欠な低-xグルーオン分布にまでアクセス可能である。