[論文レビュー] Ultra-Short-Z Linear Collider Parameters

G. White, V. Yakimenko|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、将来の線形電子・陽電子衝突型加速器（ILC や CLIC など）のための新規パラメータセットを提案する。低電荷で超短い（100 nm未塔）バッチを用いることで、高いピークランプ密度を達成する。電子バッチを極端に短縮することで、従来の設計と同等のランプ密度を実現しつつ、RFパワーを低減し、ランプ密度の質を向上させる。この設計は、まだ開発中である高度なバッチ圧縮およびビーム配送システムに依存している。

ABSTRACT

Interest in highly-compressed electron beams has been increasing in recent times, driven by the study of non-linear and even non-perturbative aspects of QED [2]. The FACET-II [7] facility at SLAC is currently (at the time of writing) being constructed and has been predicted to be able to deliver unprecedented peak beam intensities (>200 kA). We consider here what might be possible in pushing the bunch length compression to its limits at a future Linear Collider facility based on experience at FACET and ongoing photo-injector designs. We present an alternative electron-electron collision parameter table for ILC and CLIC colliders in which low charge, round beams with very short (<100nm) bunches are collided. The parameters shown present the possiblility to provide identical luminosities to the existing designs but with lower rf power requirements and/or with improved luminosity quality (fraction of luminosity close to energy peak). Achieving these beam parameters requires further R&D on the bunch compression and beam delivery systems associated with the Linear Colliders, which is discussed.

研究の動機と目的

• 超短い電子バッチ（<100 nm）を将来の線形衝突型加速器設計に適用可能かどうかを検討し、ピークランプ密度を向上させること。
• 従来の ILC や CLIC 設計と同等のランプ密度を維持しつつ、RFパワー消費を低減すること。
• 正確なビーム制御により、エネルギーピーク付近のランプ密度の割合を増加させることで、ランプ密度の質を向上させること。
• 超短バッチのためのバッチ圧縮およびビーム配送システムにおける主要なR&D課題を特定すること。
• 超短z方向ビーム運転を可能にするために、ILC および CLIC のパラメータ表を再編集し、新たな素粒子物理学の機会を提供すること。

提案手法

• SLACのFACET-II施設の技術を応用し、100 nm未塔の電子バッチ圧縮を実現する。
• 空間電荷効果を最小限に抑えるために、低電荷で丸形の電子ビームを用いる。
• 高輝度で超短バッチを生成するための高度なフォトインジェクタ設計を適用する。
• 縦方向および横方向のビーム診断を用いて、バッチ圧縮の最適化とエミッタンス増大の低減を図る。
• 従来の ILC や CLIC パラメータと比較するためのランプ密度スケーリング解析を実施する。
• 超短バッチ長、低電荷、高ピーク電流を強調した、修正されたビームパラメータ表を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形衝突型加速器において、100 nm未塔に圧縮された電子バッチを用いることで、どの程度のランプ密度性能が達成可能か。
• RQ2 従来設計と比較して、超短バッチ化がRFパワー要件にどのように影響するか。
• RQ3 超短バッチと最適化されたビーム配送により、ランプ密度の質（エネルギーピーク付近の割合）を向上させられるか。
• RQ4 高エネルギー衝突型加速器で100 nm未塔のバッチ長を達成・維持するための主要な技術的課題は何か。
• RQ5 超短z運転を可能にするために、ILC や CLIC のパラメータにどのような修正が必要か。

主な発見

• 超短バッチ（100 nm未塔）を用いることで、従来の ILC や CLIC 設計と同等のランプ密度を達成しつつ、RFパワー消費を低減できる。
• 提案されたビームパラメータにより、エネルギーピーク付近のランプ密度の割合が増加し、物理学的感度が向上する。
• これらのパラメータを達成するには、特にエミッタンスと輝度の維持に重点を置いた、バッチ圧縮およびビーム配送システムにおける大幅なR&Dが必要である。
• FACET-II施設は、超短z運転に必要なビームダイナミクスおよび圧縮技術を検証するための重要な試験台を提供する。
• 見直されたパラメータ表は、低電荷で超短バッチが、高いピークランプ密度を実現するとともに、ビーム誘起効果を最小限に抑えることを示している。
• 極めて高いピーク電流密度のおかげで、非線形的・非摂動的QED効果を研究する新たな道筋が開かれる。