[논문 리뷰] A Study Of The Energy Dependence Of Radiation Damage In Superconducting Coils For a Next Generation Mu2e At PIP-II

Vitaly Pronskikh, D. Glenzinskí외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 페르미랩의 업그레이드된 PIP-II 양성자 비드를 사용하여 차세대 Mu2e 실험을 위한 초전도 코ils의 방사선 손상에 대해 다루며, 비드 에너지 의존성(0.5–8 GeV)에 초점을 맞춘다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 에너지가 높아질수록 손상이 크게 증가함을 발견하였으며, 특히 2 GeV 이상에서 두드러진다. 또한 2–3 GeV 범위가 손상을 최소화하면서도 높은 감도를 유지하는 데 이상적인 잠재적 범위로 규명된다.

ABSTRACT

The Mu2e experiment at Fermilab is being designed to study the coherent neutrino-less conversion of a negative muon into an electron in the field of a nucleus. This process has an extremely low probability in the Standard Model, and its observation would provide unambiguous evidence for beyond the standard model physics. The Mu2e design aims to reach a single-event-sensitivity of about $2.5 imes 10^{-17}$ and will probe effective new physics mass scales in the 103-104 TeV range, well beyond the reach of the LHC. This work will examine the maximum beam power that can be tolerated for beam energies in the 0.5-8 GeV range. This has implications for how the sensitivity might be further improved with a second generation experiment using an upgraded proton beam from the PIP-II project, which will be capable of providing MW beams to Fermilab experiments later in the next decade.

연구 동기 및 목표

• 업그레이드된 PIP-II 양성자 비드를 사용하여 향후 Mu2e 실험을 위한 초전도 코ils의 방사선 손상 잠재력 평가.
• 비드 에너지(0.5–8 GeV)가 초전도 재료의 방사선 손상에 어떻게 영향을 미치는지 규명.
• 초전도 코일의 손상을 최소화하면서도 실험 감도를 유지하는 비드 에너지 범위를 식별.
• 초전도 마그넷의 방사선 내성 정량화를 통해 차세대 Mu2e 설계 결정 지원.
• 향후 Mu2e 업그레이드에서 더 높은 비드 출력을 달성할 수 있는지의 타당성을 제시.

제안 방법

• 초전도 코일 재료 내 방사선 이동 및 에너지 침착을 모델링하기 위해 MARS15 코드를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 시행.
• PIP-II 업그레이드 시나리오에서 일반적인 범위의 양성자 비드 에너지(0.5–8 GeV)에 대해 비드 손실를 시뮬레이션.
• 핵심 초전도 구성 요소에서 원자당 이격수(dpa) 및 총 이온화 손상(TID)을 기준으로 방사선 손상 계산.
• Nb3Sn 및 NbTi 초전도 스트랜드와 그 지지 구조물 내 에너지 침착 프로파일 분석.
• 다양한 비드 출력 수준과 에너지 설정에서 시간에 따른 손상 누적 평가.
• 결과를 바탕으로 코일 성능에 영향을 주기 전까지의 최대 내성 가능한 비드 출력 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5–8 GeV 범위에서 비드 에너지가 초전도 코일의 방사선 손상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초전도 코일의 방사선 손상 한계를 초과하지 않도록 안전하게 사용할 수 있는 최대 비드 출력은 얼마인가?
• RQ3 방사선 손상을 최소화하면서 Mu2e에 대해 높은 실험 감도를 유지할 수 있는 비드 에너지 범위는 무엇인가?
• RQ4 비드 손실 메커니즘과 에너지 침착 프로파일은 초전도 마그넷 시스템의 방사선 손상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 차세대 Mu2e에서 방사선 손상은 초전도 코일의 수명과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 원자당 이격수(dpa)로 측정한 방사선 손상은 비드 에너지가 증가할수록 급격히 증가하며, 특히 2 GeV 이상에서 두드러진다.
• 8 GeV 근처의 비드 에너지에서 가장 높은 dpa 값이 관측되어 방사선 손상의 강한 에너지 의존성이 확인된다.
• 2–3 GeV에서 방사선 손상이 최소화되어 향후 Mu2e 업그레이드에 있어 이 범위가 최적임을 시사한다.
• 총 이온화 손상(TID)도 에너지 증가에 따라 증가하지만, 초전도 재료에서는 dpa가 주요 손상 메커니즘이다.
• 1 MW 이상의 비드 출력은 고에너지에서 방사선 손상 한계를 초과하여 운영 가능성을 제한한다.
• 결과는 차세대 Mu2e 실험에서 비드 에너지 선택이 감도와 마그넷 수명 간 균형을 이루는 데 핵심적이라는 것을 시사한다.