[論文レビュー] The Compact Linear e$^+$e$^-$ Collider (CLIC): Accelerator and Detector

A. Robson, Philip Burrows+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 6被引用数 30

ひとこと要約

CERNで開発が進められている、380 GeVの最初の段階を含む、マルチTeV級で高インテンシティの線形衝突型加速器であるコンパクト・リニア e⁺e⁻ コライダー（CLIC）は、12 GHzの常温導体構造を駆動ビームで駆動する二ビーム加速方式を採用しており、170 MWの消費電力と60億スイスフランのコスト見積もりを達成している。CLICはヒッグスおよびトップクォーク領域における高精度測定と新しい物理の直接探索を可能にし、2035年までに初のビームが得られ、2026年に建設が開始される予定である。

ABSTRACT

The Compact Linear Collider (CLIC) is a TeV-scale high-luminosity linear e$^+$e$^-$ collider under development by international collaborations hosted by CERN. This document provides an overview of the design, technology, and implementation aspects of the CLIC accelerator and the detector. For an optimal exploitation of its physics potential, CLIC is foreseen to be built and operated in stages, at centre-of-mass energies of 380 GeV, 1.5 TeV and 3 TeV, for a site length ranging between 11 km and 50 km. CLIC uses a two-beam acceleration scheme, in which normal-conducting high-gradient 12 GHz accelerating structures are powered via a high-current drive beam. For the first stage, an alternative with X-band klystron powering is also considered. CLIC accelerator optimisation, technical developments, and system tests have resulted in significant progress in recent years. Moreover, this has led to an increased energy efficiency and reduced power consumption of around 170 MW for the 380 GeV stage, together with a reduced cost estimate of approximately 6 billion CHF. The detector concept, which matches the physics performance requirements and the CLIC experimental conditions, has been refined using improved software tools for simulation and reconstruction. Significant progress has been made on detector technology developments for the tracking and calorimetry systems. The construction of the first CLIC energy stage could start as early as 2026 and first beams would be available by 2035, marking the beginning of a physics programme spanning 25-30 years and providing excellent sensitivity to Beyond Standard Model physics, through direct searches and via a broad set of precision measurements of Standard Model processes, particularly in the Higgs and top-quark sectors.

研究の動機と目的

• LHCを越える標準模型および新しい物理の測定を目的とした、成熟し、コスト効率が良く、エネルギー効率の高いマルチTeV級e⁺e⁻コライダーの開発。
• 380 GeV、1.5 TeV、3 TeVの段階的運用を最適化し、光度、コスト、エネルギー効率のバランスを取ったCLIC加速器設計の最適化。
• 強いビーム誘発背景条件下での高精度な粒子フロー再構築を実現するためのCLICdet検出器概念の最適化。
• 高勾配加速構造、低発散角電子ビーム、高グレイン感度コメータなどの重要な技術を、ビーム試験およびプロトタイプにより検証すること。
• CERNにおけるCLICの現実的な実装ロードマップの確立、インfra構築、土木工事、産業開発を含む。2026年に建設が開始されると予定。

提案手法

• CLICは、高電流の駆動ビームを用いて、常温導体の12 GHz加速構造を駆動する二ビーム加速方式を採用しており、70–100 MV/mの勾配で動作する。
• 最初の段階では、中心系エネルギーが380 GeVであり、初期運用のためのXバンド・キリストロンベースの駆動方式も検討されている。
• 全パラメータ空間のスキャンを用いて加速器最適化が行われ、光度、コスト、消費電力の3つを主な性能指標として用いる。
• 検出器設計（CLICdet）は、軽量なバーテックスおよびトラッキング、高グレイン感度コメータ、4 Tのソレノイドを特徴とし、粒子フロー再構築を最適化している。
• システム統合では、最終焦点化四極磁石を検出器外部に配置し、高度なシミュレーション／再構築ソフトウェアツールを用いて性能を精緻化している。
• 技術検証は、CTF3、Xバンド試験プラットフォーム、FELリニアック施設での大規模ビーム試験により達成されており、0.1 nm未満の安定性と高勾配性能が実証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12 GHzで動作する二ビーム加速方式が、70–100 MV/mの必要な勾配と、1パルスあたり3×10⁷ m⁻¹未満の安定した破壊率を達成できるか？
• RQ2 380 GeV、1.5 TeV、3 TeVの各段階において、中心系エネルギー、光度、コスト、エネルギー効率の観点から最適な段階的運用戦略は何か？
• RQ3 既存の光源およびFEL技術を用いて、特に0.1 nm未満の発散角と安定性を達成できるか？
• RQ4 CLICdet検出器概念が、強いビーム誘発背景条件下でも必要な粒子フロー再構築性能を達成できるか？
• RQ5 380 GeV段階の現実的なコスト見積もりと消費電力は何か？それぞれ約60億スイスフランと170 MWにまで低減可能か？

主な発見

• CLICの380 GeV段階では、消費電力が170 MW、コストが約60億スイスフランと推定され、初期見積もりに比べて大幅に低減された。
• CTF3での二ビームビーム試験で、145 MV/mに達する勾配が達成され、コア加速方式の実現可能性が裏付けられた。
• Xバンド試験構造での破壊率は、3×10⁷ m⁻¹の限度をはるかに下回っており、高勾配条件下での安定動作が実証された。
• 現代のシンクロトロン光源およびFEL施設を用いた、減衰リングにおける0.1 nm未満のビーム安定性と低発散角が検証された。
• CLICdet検出器概念は、粒子フロー再構築に最適化されており、シミュレーションで向上した角度分解能と性能が得られており、バーテックス、トラッキング、コメータシステムの技術的デモンストレータが検証済みである。
• 実装計画では、2025年までに5年間の準備段階が終了し、2026年に建設が開始され、2035年に初のビームが得られ、25–30年の物理学プログラムが可能となる。