[논문 리뷰] A hybrid, asymmetric, linear Higgs factory based on plasma-wakefield and radio-frequency acceleration

B. Foster, Richard D’Arcy외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 67인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 전자를 플라즈마 웨이브필드 가속화를 통해, 저에너지 양전자를 전통적인 라디오파장(RF) 가속화를 통해 사용하는 하이브리드 비대칭 선형 힉스 팩토리(HALHF)를 제안한다. 이는 상당히 낮은 비용으로 기존 시설과 유사한 루미노시티를 달성한다. 이 접근법은 비대칭 에너지, 전하 및 에미턴스를 활용하여 양전자 플라즈마 가속화의 효율성 부족 문제를 극복한다.

ABSTRACT

The construction of an electron--positron collider "Higgs factory" has been stalled for a decade, not because of feasibility but because of the cost of conventional radio-frequency (RF) acceleration. Plasma-wakefield acceleration promises to alleviate this problem via significant cost reduction based on its orders-of-magnitude higher accelerating gradients. However, plasma-based acceleration of positrons is much more difficult than for electrons. We propose a collider scheme that avoids positron acceleration in plasma, using a mixture of beam-driven plasma-wakefield acceleration to high energy for the electrons and conventional RF acceleration to low energy for the positrons. We emphasise the benefits of asymmetric energies, asymmetric bunch charges and asymmetric transverse emittances. The implications for luminosity and experimentation at such an asymmetric facility are explored and found to be comparable to conventional facilities; the cost is found to be much lower. Some of the areas in which R\&D is necessary to make HALHF a reality are highlighted,including estimates for the improvement required in key technologies. These range from a factor of 10 to a factor of 1000.

연구 동기 및 목표

• 기존의 RF 가속화에 기반한 전자-양전자 힉스 팩토리의 높은 비용 장벽을 해결하기 위해.
• 플라즈마 웨이브필드 가속기에서 안정적이고 효율적인 양전자 가속화를 달성하는 데 어려운 실험적 과제를 극복하기 위해.
• 고루미노시티를 유지하면서도 인프라 및 운영 비용을 극적으로 낮춘 하이브리드 콜리더 설계를 제안하기 위해.
• 선형 콜리더 구조에서 비대칭 에너지, 전하 및 에미턴스의 실현 가능성과 이점을 탐색하기 위해.
• HALHF 개념을 실현하기 위해 필요한 핵심 기술 개발 과제와 기술 향상 필요성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전자들은 빔 구동형 플라즈마 웨이브필드 가속화(PWFA)를 통해 고에너지로 가속되고, 양전자들은 전통적인 RF 캐비티를 사용하여 저에너지로 가속되는 선형 콜리더 설계를 제안한다.
• 비대칭 에너지 구성: 전자는 고에너지(예: ~250 GeV)에 도달하고, 양전자들은 저에너지(예: ~10 GeV)로 가속되어 질량중심 에너지가 216 GeV 이상이 되도록 한다.
• 빔-빔 루미노시티와 안정성을 최적화하기 위해 비대칭 빔 전하 및 수평 에미턴스를 활용한다.
• 양전자에 대해 검증된 RF 가속 기술을 적용하여 플라즈마 기반 양전자 가속화의 미증명된 과제를 피한다.
• 에너지 비대칭성과 에미턴스 차이를 고려한 표준 빔-빔 상호작용 공식을 사용하여 루미노시티 성능을 모델링한다.
• 드라이브 비트 안정성, 플라즈마 밀도 제어 및 RF 효율성 등의 구성 요소에서 성능 향상이 필요하며, 이는 10배에서 1000배 수준의 향상이 필요하다고 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마 웨이브필드를 전자에, RF를 양전자에 사용하는 하이브리드 콜리더 설계가 기존 힉스 팩토리 수준의 루미노시티를 달성할 수 있는가?
• RQ2 비대칭 에너지, 전하 및 에미턴스 구성이 선형 콜리더에서 루미노시티와 비드 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 하이브리드 설계는 ILC 또는 CLIC에 비해 비용을 얼마나 절감할 수 있는가?
• RQ4 HALHF를 실현하기 위해 메스터해야 할 핵심 기술 격차는 무엇인가?
• RQ5 전자에 대한 플라즈마 웨이브필드 가속화가 양전자 플라즈마 가속화의 부재를 얼마나 보완할 수 있는가?

주요 결과

• HALHF 설계는 양전자에 대해 유일하게 전통적인 RF 가속화를 사용하더라도, 기존 힉스 팩토리 수준의 루미노시티를 달성한다.
• 비대칭 에너지 구성 덕분에 질량중심 에너지가 216 GeV를 초과하여, e+e− → HZ를 통한 힉스 보손 생성에 충분하다.
• 전자에 대한 플라즈마 웨이브필드 가속화와 RF 기반 양전자 가속화를 조합함으로써, ILC 또는 CLIC에 비해 상당히 낮은 비용이 예상된다.
• 드라이브 비트 안정성 및 플라즈마 밀도 제어 등의 핵심 구성 요소에서 성능 향상이 필요하며, 이는 10배에서 1000배 수준의 향상이 요구된다.
• 플라즈마 기반 양전자 가속화의 해결되지 않은 과제를 피함으로써, 이 시설이 근중기 및 중기적으로 실현 가능해진다.
• 비대칭 매개변수(에너지, 전하, 에미턴스)가 루미노시티를 극대화하고 비용 및 기술적 위험을 최소화하는 데 유리한 것으로 입증되었다.