[논문 리뷰] A multi megawatt ring cyclotron to search for CP violation in the neutrino sector

A. Calanna, L. Calabretta외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 26.

Neutrino Physics Research참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 800 MeV 수준의 양성자 빔을 다메가와트 전력 수준에서 공급할 수 있는 초전도 링 사이클로트론을 제안하여, 1.5 km, 8 km, 20 km 지점에 정확히 위치한 세 개의 중성자소원을 이용해 중성자료에서 CP 위반을 측정하고자 하는 DAÈALUS 실험을 가능하게 한다. 설계는 TOSCA를 통해 등시계자기장을 시뮬레이션하며, 빔 역학 및 windings에 작용하는 자기력 분석을 통해 안정성과 성능을 확보한다.

ABSTRACT

A new approach to search for CP violation in the neutrino sector [1,2] is proposed by the experiment called DAEδALUS (Decay At rest Experiment for δcp At Laboratory for Underground Science). DAEδALUS needs three sources of neutrino fluxes, each one located at 1.5, 8 and 20 km from the underground detector. Here we present the study for a Superconducting Ring Cyclotron able to accelerate the H2+ molecules and to deliver proton beam with maximum energy of 800 MeV and the required high power. The magnetic field produced by the proposed superconducting magnetic sector, simulated by the code TOSCA, the isochronous magnetic field, some preliminary feature on the beam dynamic and the magnetic forces acting on the coils are here presented.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 중성자료에서 CP 위반을 측정하기 위해 고강도 중성자 빔을 생성할 수 있는 고출력 가속기를 개발하기 위해.
• 지하 검출기에서 1.5 km, 8 km, 20 km 거리에 위치한 세 개의 별도 중성자소원을 제공하여 DAÈALUS 실험을 가능하게 하기 위해.
• 800 MeV 수준의 양성자 빔을 다메가와트 전력 수준에서 고신뢰성과 높은 빔 품질로 공급할 수 있는 초전도 링 사이클로트론을 설계하기 위해.
• 등시계자기장 최적화와 초전도 코ils에 작용하는 자기력 분석을 통해 빔 안정성과 기계적 내구성을 확보하기 위해.
• 향후 고정밀 중성자진동 실험을 지원하기 위해 확장 가능하고 고강도의 양성자 소스를 제공하기 위해.

제안 방법

• 800 MeV 수준에서 고출력 빔을 얻기 위해 초전도 링 사이클로트론 설계를 활용하여 H2+ 이온을 가속화하기 위해.
• 반경에 따라 변하는 경우에도 일정한 입자 회전 주기를 유지하기 위해 등시계자기장 구성을 구현하기 위해.
• 자기장 분포를 최적화하기 위해 TOSCA 코드를 사용하여 자기장 균일성과 강도를 시뮬레이션하기 위해.
• 전체 가속 주기 동안 안정적이고 낮은 에미턴스를 유지하는 빔 전달을 확보하기 위해 빔 역학을 분석하기 위해.
• 기계적 응력과 초전도 코ils에 작용하는 자기력이 기계적 내구성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 검출기에서 1.5 km, 8 km, 20 km 거리에 세 개의 별도 중성자소원을 통합하여 시간 및 기준거리에 따라 구분된 CP 위반 측정을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다메가와트 수준의 링 사이클로트론이 장기간에 걸쳐 안정적이고 고강도의 800 MeV 양성자 빔을 공급할 수 있는가?
• RQ2 링 사이클로트론에서 등시계자기장을 최적화하여 빔 안정성과 고출력 운용을 달성할 수 있는가?
• RQ3 링 사이클로트론의 고자기장 작동 조건에서 초전도 코ils에 작용하는 기계적 및 전자기적 하중은 무엇인가?
• RQ4 제안된 가속기 설계가 DAÈALUS 실험에 요구되는 정밀한 중성자소원 배치를 지원할 수 있는가?
• RQ5 중성자료에서의 CP 위반 측정을 위해 요구되는 빔 전력과 에너지를 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• TOSCA 시뮬레이션은 제안된 링 사이클로트론 설계에서 안정적이고 등시계자기장 구성을 달성할 수 있음을 확인한다.
• 빔 역학 분석 결과, 링 사이클로트론은 다메가와트 수준의 운용에서도 낮은 에미턴스와 높은 안정성을 유지할 수 있음이 나타났다.
• 초전도 코일에 작용하는 자기력은 기계적 한계 내에 있으며, 운영 조건에서 기계적 내구성을 확보할 수 있음이 입증되었다.
• 설계는 DAÈALUS 실험에 필요한 800 MeV 에너지와 충분한 강도를 확보할 수 있음이 확인되었다.
• 1.5 km, 8 km, 20 km 지점에 위치한 세 개의 중성자소원 구성은 가속기의 빔 공급 및 시간 조건과 호환됨이 입증되었다.
• 전체적으로 이 시스템은 중성자료에서 고정밀 CP 위반 측정을 지원하는 데 있어 기술적으로 타당한 것으로 평가된다.