[논문 리뷰] Accelerator system for the PRISM based muon to electron conversion experiment

A. Alekou, R. B. Appleby외 24명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 02.

Muon and positron interactions and applications참고 문헌 10인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 레프톤의 품질 위반 연구를 위한 고강도, 고품질의 뮤온 비임의를 목표로 하여 PRISM 실험을 위한 고급 가속기 시스템을 제안한다. 고정장 교대 경사도(FFAG) 고리와 RF 위상 회전을 활용함으로써 동역학적 스트레스를 감소시키고 편향된 뮤온 비임의를 편리하게 정제함으로써 비임의 품질을 크게 향상시킨다. 이는 민감한 뮤온-전자 전환 탐색에 필수적인 높은 품질의 비임의를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The next generation of lepton flavor violation experiments need high intensity and high quality muon beams. Production of such beams requires sending a short, high intensity proton pulse to the pion production target, capturing pions and collecting the resulting muons in the large acceptance transport system. The substantial increase of beam quality can be obtained by applying the RF phase rotation on the muon beam in the dedicated FFAG ring, which was proposed for the PRISM project.This allows to reduce the momentum spread of the beam and to purify from the unwanted components like pions or secondary protons. A PRISM Task Force is addressing the accelerator and detector issues that need to be solved in order to realize the PRISM experiment. The parameters of the required proton beam, the principles of the PRISM experiment and the baseline FFAG design are introduced. The spectrum of alternative designs for the PRISM FFAG ring are shown. Progress on ring main systems like injection and RF are presented. The current status of the study and its future directions are discussed.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대의 PRISM 실험을 위한 고강도, 고품질의 뮤온 비임의를 생산할 수 있는 가속기 시스템을 설계하는 것.
• 프로톤 유도 페이온 생성으로 인한 뮤온 비임의의 비임의 순도와 동역학적 스트레스 문제를 해결하는 것.
• 페이온과 부수적인 프로톤과 같은 배경 성분을 최소화하여 희귀 뮤온-전자 전환을 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 것.
• 실험을 위한 효율적인 뮤온 캡처, 냉각 및 비임의 준비를 지원하는 기본 FFAG 고리 설계를 개발하는 것.

제안 방법

• 특수 타겟에서 고강도, 단기 프로톤 펄스를 이용해 페이온을 생성한다.
• 큰 수용각을 가진 수송 시스템을 통해 페이온을 캡처하고 뮤온으로 붕괴시킨다.
• RF 위상 회전을 갖춘 FFAG 고리를 활용하여 뮤온 비임의의 동역학적 스트레스를 압축하고 비임의 품질을 향상시킨다.
• FFAG 고리 내에서 비임의 냉각 기법을 적용하여 횡방향 에미턴스를 감소시키고 원치 않는 입자를 억제한다.
• FFAG 고리의 고강도 운용과 비임의 안정성에 적합한 인젝션 및 RF 시스템을 설계한다.
• PRISM 실험에 최적화된 성능과 확장성을 확보하기 위해 여러 가지 FFAG 고리 구성 방식을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PRISM 실험의 감도 요구 조건을 충족시키기 위해 고강도, 고품질의 뮤온 비임의를 어떻게 생산할 수 있는가?
• RQ2 FFAG 고리 내에서의 RF 위상 회전이 동역학적 스트레스 감소와 비임의 순도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 효율적인 뮤온 비임의 냉각 및 수송을 가능하게 하는 최적의 FFAG 고리 설계 파rameter는 무엇인가?
• RQ4 다른 FFAG 고리 구성 방식은 비임의 품질과 기술적 실현 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 PRISM 실험을 위해 인젝션, RF 및 비임의 역학 시스템을 FFAG 고리 내에 통합하는 데 있어 핵심 과제와 해결책은 무엇인가?

주요 결과

• RF 위상 회전을 갖춘 FFAG 고리는 뮤온 비임의의 동역학적 스트레스를 효과적으로 감소시켜 비임의 품질을 크게 향상시킨다.
• 이 시스템은 페이온과 부수적인 프로톤의 효과적인 억제를 가능하게 하여 정밀 측정을 위한 비임의 순도를 향상시킨다.
• 여러 가지 FFAG 고리 설계가 평가되었으며, PRISM 실험에 필요한 비임의 파라미터를 충족시킬 수 있는 실현 가능한 길이 제시되었다.
• 고강도 운용과 비임의 안정성에 적합한 인젝션 및 RF 시스템 설계에 진전이 있었다.
• 이 연구는 PRISM 실험의 기술적 및 물리적 목표를 지원하는 기본 FFAG 설계를 확립하였다.