[論文レビュー] The Large Hadron-Electron Collider at the HL-LHC

O. Brüning, M. Klein|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 53被引用数 39

ひとこと要約

LHeCは、エネルギー回収リニアック（ERL）技術を用いて、高強度の電子ビームとHL-LHCの陽子またはイオンビームを衝突させることで、未踏の深部非弾性散乱の運動量領域へのアクセスを可能にする高全有効断面積の電子-陽子衝突型加速器を提案する。これにより、QCD、一部粒子構造、ヒッグス、および新しい物理現象の研究が、高い全有効断面積、クリアな最終状態、およびERLと検出器の詳細な設計（プロトタイプ施設PERLEおよび将来のFCC-ehアップグレードを含む）により拡張される。

ABSTRACT

The Large Hadron electron Collider (LHeC) is designed to move the field of deep inelastic scattering (DIS) to the energy and intensity frontier of particle physics. Exploiting energy recovery technology, it collides a novel, intense electron beam with a proton or ion beam from the High Luminosity--Large Hadron Collider (HL-LHC). The accelerator and interaction region are designed for concurrent electron-proton and proton-proton operation. This report represents an update of the Conceptual Design Report (CDR) of the LHeC, published in 2012. It comprises new results on parton structure of the proton and heavier nuclei, QCD dynamics, electroweak and top-quark physics. It is shown how the LHeC will open a new chapter of nuclear particle physics in extending the accessible kinematic range in lepton-nucleus scattering by several orders of magnitude. Due to enhanced luminosity, large energy and the cleanliness of the hadronic final states, the LHeC has a strong Higgs physics programme and its own discovery potential for new physics. Building on the 2012 CDR, the report represents a detailed updated design of the energy recovery electron linac (ERL) including new lattice, magnet, superconducting radio frequency technology and further components. Challenges of energy recovery are described and the lower energy, high current, 3-turn ERL facility, PERLE at Orsay, is presented which uses the LHeC characteristics serving as a development facility for the design and operation of the LHeC. An updated detector design is presented corresponding to the acceptance, resolution and calibration goals which arise from the Higgs and parton density function physics programmes. The paper also presents novel results on the Future Circular Collider in electron-hadron mode, FCC-eh, which utilises the same ERL technology to further extend the reach of DIS to even higher centre-of-mass energies.

研究の動機と目的

• HL-LHCの陽子またはイオンビームと高強度の電子ビームを衝突させることで、深部非弾性散乱をエネルギーおよび強度のフ론ティアにまで拡張すること。
• 運動量領域の数個のオーダーにわたる広い範囲において、陽子および重い原子核の一部粒子構造の精密測定を可能にすること。
• 高全有効断面積、クリアなプローブ環境を提供し、精度の高いヒッグス物理学および標準模型を超える新しい物理現象の探索を可能にすること。
• オルセーに位置するプロトタイプ施設（PERLE）を通じて、ERL技術を前進させ、LHeC設計の主要部品の検証を実施すること。
• 同じERL技術を用いた将来のFCC-eh衝突型加速器の基盤を築くこと。

提案手法

• エネルギー回収リニアック（ERL）技術を用いて、最小限のエネルギー損失で高エネルギー・高強度の電子ビームを生成する。
• 電子ビームをHL-LHCの陽子またはイオンビームと共有加速器施設内で統合し、同時に電子-陽子衝突と陽子-陽子衝突を実現する。
• 高品質なビームと高い全有効断面積を達成するため、高度な超伝導RFキャビティおよび最適化された磁場リズム設計を採用する。
• オルセーに位置する3ターン・高電流・低エネルギーERL施設（PERLE）を、LHeCシステムの検証用プロトタイプとして統合する。
• ヒッグスおよび一部粒子密度関数物理学の目的に適合した、高い受容性、分解能、キャリブレーション性能を持つ新しい検出器を設計する。
• 同じERL技術を将来のFCC-eh衝突型加速器に応用し、深部非弾性散乱の到達範囲をさらに高い中心系エネルギーにまで拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ERLを用いた電子ビームを用いて、どのようにして深部非弾性散乱をより高い中心系エネルギーおよび全有効断面積にまで拡張できるか？
• RQ2 LHeCの拡張された運動量領域の到達範囲により、陽子および重い原子核における一部粒子密度関数の測定にどのような向上が達成可能か？
• RQ3 クリアなハドロン最終状態を用いた場合、LHeCはQCDのダイナミクスおよび電弱相互作用をどの程度まで探査できるか？
• RQ4 LHeCは、新しい物理現象の発見可能性および精度の高いヒッグス測定をどの程度達成できるか？
• RQ5 プロトタイプERL施設（PERLE）は、本格的なLHeC電子加速器の設計および運用をどの程度検証できるか？

主な発見

• LHeCの設計により、過去の実験と比較して数個のオーダーも高い深部非弾性散乱の運動量領域へのアクセスが可能になる。
• 更新されたリズム、磁石、超伝導RF部品を含む、エネルギー回収リニアック（ERL）の設計が詳細に提示され、高品質で高い効率のビームを確保する。
• オルセーに位置するPERLE施設は、LHeCのプロトタイプとして確立され、低エネルギーかつ高電流での主要ERL技術の実証がなされている。
• 更新された検出器設計は、受容性、分解能、キャリブレーションの要件を厳密に満たし、ヒッグスおよび一部粒子構造物理学計画を支援する。
• 高い全有効断面積とクリアな最終状態のおかげで、LHeCは新しい物理現象および精度の高いヒッグス物理学の強力な発見可能性を有する。
• 同じERL技術を用いることで、将来のFCC-eh衝突型加速器が実現可能となり、深部非弾性散乱の到達範囲がさらに高い中心系エネルギーにまで拡張される。