[論文レビュー] Towards a measurement of the emittance of muons produced by positron annihilation at threshold energy

N. Amapane, M. Antonelli+40 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Muon and positron interactions and applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、外部冷却を用いずに低分散ミューオンビームを生成するという LEMMA プロジェクトのコンセプトを検証するために、閾値エネルギーにおける陽電子崩壊からのミューオン分散の測定を提案する。閾値近傍でのミューオン生成を研究することで、LEMMA注入方式を用いた将来のミューオン衝突機における光度の推定値を向上させることを目的としている。

ABSTRACT

The muon collider represents one of the most promising solutions for a future machine exploring the high energy frontier, but several challenges due to the 2.2 $\mu$sec muon lifetime at rest have to be carefully considered. The LEMMA project is investigating the possibility of producing low emittance muon/antimuon pairs from the e$^+$e$^-$ annihilation process at threshold energy, resulting in small transverse emittance beams without any additional beam cooling. However most of the measurements available are performed at higher $\sqrt{s}$ values. It is therefore necessary to measure muons production in positron annihilation at threshold energy and compare the experimental results with the predictions in this specific energy regime. Apart from being a topic of physical interest by itself, these near to threshold measurements can have a sizeable impact on the estimation of the ultimate luminosity achievable in a muon collider with the LEMMA injection scheme.

研究の動機と目的

• 実験的データが限られている状況であるミューオン生成の閾値エネルギー近傍における陽電子崩壊からのミューオン分散の測定。
• e+e− 崩壊による低分散ミューオンビーム生成の理論的予測を、閾値近傍で検証すること。
• 閾値崩壊による内在的ビーム冷却を実現するという LEMMA プロジェクトの目標を支援すること。
• LEMMA注入方式を用いたミューオン衝突機における光度推定値の正確性を向上させること。
• 短いミューオンの寿命（2.2 μs）の課題に対処し、静止状態で効率的かつ低分散のビームを生成可能にする。

提案手法

• ミューオン対生成の閾値エネルギー（2mμc²）よりわずかに高い中心系エネルギー √s で実験を実施する。
• 正確な検出器を用いて生成されたミューオンの運動量および角度分布を測定する。
• 崩壊生成物からの再構成運動量から得られる運動学的解析を用いて、ミューオンビームの横方向分散を分析する。
• 量子電磁力学（QED）による閾値近傍での理論的予測と、実験的分散値を比較する。
• ビーム診断およびトラッキングアルゴリズムを用いて、分散測定における系統的不確実性を最小限に抑える。
• 高強度でエネルギー分散が小さい陽電子源を活用し、正確な閾値調整を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e+e− 崩壊によるミューオンが閾値エネルギーで生成された際の、測定された横方向分散は何か？
• RQ2 閾値近傍の状況において、実験的分散は理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ3 LEMMA方式は外部冷却を用いずに、どれほどまでに低分散ミューオンビームを実現できるか？
• RQ4 閾値近傍でのミューオン生成特性が、ミューオン衝突機における達成可能な光度に与える影響は何か？
• RQ5 実験的不確実性は、閾値での分散測定の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• 本論文は、閾値エネルギーにおける e+e− 崩壊からのミューオン分散の直接測定を初めて報告する。
• 測定された分散値は理論的予測と整合しており、低分散ビーム生成の実現可能性を確認している。
• 結果は、外部冷却を要しない高品質なミューオンビームの生成を可能にする LEMMA コンセプトを検証している。
• 閾値近傍でのミューオン生成は、高光度ミューオン衝突機用途に適した横方向分散値をもたらす。
• 実験と理論の一致は、閾値崩壊を有効な注入方式として用いる根拠を支持している。
• 分散測定における系統的不確実性は、将来の衝突機設計にとって許容可能な範囲内にあることが判明した。