[論文レビュー] Updated status of the undulator-based ILC positron source

Sabine Riemann, Sievers, Peter+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Muon and positron interactions and applications参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）のアンジュレータベースの陽電子源について、更新された技術的評価を提示する。回転するチタニウム標的を用いて長時間（1 ms）の陽電子ビームを効率的に捕集するためのパルス型ソレノイド収束器を提案する。このシステムは、250 GeVの中心系エネルギーで1.5 e+/e−の陽電子生成率と30%の陽電子ビーム偏光度を達成し、ILC250およびギgazでの高精度物理学を可能にする。

ABSTRACT

The design of the positron source for the International Linear Collider (ILC) is still under discussion. The baseline design plans to use the high-energy electron beam for the positron production before it goes to the IP. The electrons pass a long helical undulator and generate an intense circularly polarized photon beam which hits a thin conversion target to produce $e^+e^-$ pairs. The resulting positron beam is longitudinally polarized which provides an important benefit for precision physics analyses at the ILC. In this paper the status of the positron target design studies is presented. Focus is the positron yield for center-of-mass energies of 250 GeV and also the Z peak. Possibilities to improve the positron collection system and thus to increase the positron yield are discussed.

研究の動機と目的

• アンジュレータベースの源から長時間（1 ms）の陽電子ビームを効率的に収束する課題に対処すること。
• 光学マッチングデバイス（OMD）および磁場配置の最適化により、ILC陽電子源における陽電子生成率と偏光度を向上させること。
• 長時間パルスにおけるフラックス集中という未解決問題を解決すること。これは従来のマイクロ秒スケールのコンセントレーターには不適切である。
• ピーク磁界が約5 Tで、渦電流加熱が許容範囲内であるパルス型ソレノイド収束器の技術的実現可能性を示すこと。
• ILCの物理学的目標を支援するために、長軸偏光を有する陽電子ビーム（≥30%の偏光度）を実現し、高精度測定を可能とすること。

提案手法

• 125 GeVの電子ビームを用いて、超伝導ヘリカルアンジュレータ（231 m、K=0.92）を駆動し、強力で右回りの偏光光ビームを生成する。
• 1 mの直径、7 mmの厚さ、2000 rpmの回転速度を持つTi6Al4V標的ホイルを用いて、1 msのビームパルスによる熱負荷を分散させ、損傷を防ぐ。
• 5 Hzの4 msパルスを用いるパルス型ソレノイド収束器を導入し、ピーク磁界を約5 Tに達成させ、陽電子ビームを減衰リングに断熱的マッチング可能にする。
• 断熱的マッチングデバイス（AMD）の原理を適用し、エネルギー散乱とエミッタンス増大を最小限に抑えながら陽電子収束効率を最大化する。
• 加速構造付近で0.5 Tの磁界を達成し、回転標的における渦電流を最小限に抑える磁界プロファイルを最適化する。
• ペア生成断面積と光子エネルギー依存性を用いて陽電子生成率を評価し、主要な式は以下の通り：E1γ ∝ Ee / [λu(1+K²)] および Nγ ∝ K² / [λu(1+K²)]。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス型ソレノイド収束器は、アンジュレータベースの源から1 msの陽電子パルスを効果的に捕集できるか。これは従来のフラックスコンセントレーターの制限を超えるものか。
• RQ2 回転標的における渦電流加熱を最小限に抑えると同時に、陽電子生成率を最大化する磁界配置は何か。
• RQ3 中心系エネルギー（250 GeVおよびZピーク）と標的パrameter（厚さ、材料）の変化に伴い、陽電子生成率はどのようにスケーリングするか。
• RQ4 陽電子ビームの効率的断熱的マッチングを達成するためのソレノイド収束器の必要な磁界強度とパルス幅は何か。
• RQ5 特にパルス型ソレノイドと回転標的システムを含む、アンジュレータ駆動型陽電子源の主要部品を実現するために必要な技術的R&Dは何か。

主な発見

• アンジュレータベースの陽電子源は、250 GeVの中心系エネルギーで1.5 e+/e−の陽電子生成率を達成し、ILCの規定出力密度要件を満たす。
• 5 Hzの4 msパルスを用いるパルス型ソレノイド収束器は、ピーク磁界約5 Tを発生させ、長時間1 msの陽電子ビームを効率的に断熱的マッチング可能にする。
• 7 mmの厚さ、1 mの直径、2000 rpmの回転Ti6Al4V標的ホイルは、平均ビーム出力約2 kWを効果的に管理し、過熱を防ぐ。
• システムは、長軸偏光を有する陽電子ビーム（≥30%の偏光度）を供給し、ILC250およびギgazでの高精度物理学に不可欠である。
• 適切なパルス型ソレノイド設計により、標的背面での渦電流加熱は許容範囲（2–3 T）に抑えられ、追加の熱負荷を最小限に抑える。
• OMD、回転標的、パルス収束器を含む、全源システムの技術的実現可能性は、詳細なシミュレーションと設計研究を通じて示された。