[논문 리뷰] A Long-Baseline Atom Interferometer at CERN: Conceptual Feasibility Study

G. Arduini, L. Badurina외 20명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 02.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 9

한 줄 요약

논문은 CERN의 PX46 LHC 접근 샤프트에서 약 ~100 m 수직 원자 간섭계(AI)의 개념적 타당성을 ultralight 다크 매터 및 중력파 탐색을 위해 평가하며, 인프라, 안전, 비용 고려를 포함한다.

ABSTRACT

We present results from exploratory studies, supported by the Physics Beyond Colliders (PBC) Study Group, of the suitability of a CERN site and its infrastructure for hosting a vertical atom interferometer (AI) with a baseline of about 100 m. We first review the scientific motivations for such an experiment to search for ultralight dark matter and measure gravitational waves, and then outline the general technical requirements for such an atom interferometer, using the AION-100 project as an example. We present a possible CERN site in the PX46 access shaft to the Large Hadron Collider (LHC), including the motivations for this choice and a description of its infrastructure. We then assess its compliance with the technical requirements of such an experiment and what upgrades may be needed. We analyse issues related to the proximity of the LHC machine and its ancillary hardware and present a preliminary safety analysis and the required mitigation measures and infrastructure modifications. In conclusion, we identify primary cost drivers and describe constraints on the experimental installation and operation schedules arising from LHC operation. We find no technical obstacles: the CERN site is a very promising location for an AI experiment with a vertical baseline of about 100 m.

연구 동기 및 목표

• AI를 사용한 ultralight 다크 매터 및 중력파 탐색의 동기를 부여한다.
• CERN 및 PX46 샤프트가 ~100 m AI(AION-100)를 수용하기에 적합한지 평가하고 필요한 인프라 업그레이드를 개략적으로 제시한다.
• AI를 LHC 작동과 통합하는 데 관련된 환경, 안전 및 안전 규제 고려사항을 파악한다.
• CERN에서 100 m AI를 설치하고 운영하기 위한 주요 비용 구동 요인과 일정 제약을 제공한다.

제안 방법

• ULDM 및 GW 맥락에서 AI에 대한 과학적 동기를 검토한다.
• AION-100을 참조로 하여 100 m 수직 AI의 일반적인 기술 요건을 개요화한다.
• CERN PX46 현장을 제안하고 그 인프라, 한계, 필요한 업그레이드를 설명한다.
• 예비 안전 및 방사선 보호 평가를 수행하고 완화 방법 및 설계 변경을 제안한다.
• LHC 운용 및 AI 설치와 관련된 주요 비용 구동 요인과 일정 제약을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 ~100 m 수직 원자 간섭계가 LHC 운용을 방해하지 않고 CERN의 PX46 샤프트에 실제로 수용될 수 있는가?
• RQ2 PX46에서 100 m AI에 대한 주요 기술적, 환경적 및 안전 요구사항은 무엇이며 어떤 업그레이드가 필요한가?
• RQ3 CERN에서 AI를 설치하고 운영하는 데 필요한 주요 비용 구동 요인 및 일정 제약은 무엇인가?
• RQ4 PX46의 100 m AI가 ULDM 결합 및 중력파 측정 측면에서 기대되는 과학적 도달 범위는 무엇인가?

주요 결과

• PX46은 기술적 장애물이 보이지 않는 ~100 m 수직 AI를 위한 CERN의 유망한 현장으로 확인된다.
• 예비 안전 및 완화 조치는 방사선 보호 차폐 및 합리적 비용 규모의 대피 시스템을 포함하여 통합 가능성을 시사한다.
• 주요 인프라 비용 구동 요인은 방사선 보호 차폐 벽과 신속 대피 시스템으로, 검출기 자체에 비해 작은 비용 비중을 차지한다.
• 진동, 지진 및 중력 구배 소음 분석은 현장이 AI 요건과 호환될 수 있음을 시사하며, 소음을 관리하기 위한 환경 모니터링 및 차폐, 뿐만 아니라 자기장 및 RF 차폐에 대한 고려가 필요하다.