[논문 리뷰] Critical problems of energy frontier Muon Colliders: optics, magnets and radiation

Y. Alexahin, E. Barzi외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 20.

Superconducting Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 에너지 선봉을 위한 6 TeV 뮤온 콜라이더 설계 개념을 제시하며, 광학, 초전도(Nb3Sn) 마그넷, 방사선 보호와 같은 핵심 과제에 중점을 둔다. 상호작용점에서 베타-스타 = 3 mm인 레이티스를 제안하고, 아크 세포를 재스케일링하여, 코스-코시네이드(coil) 기하구조와 wolfram(mask)을 사용해 철, 콘크리트, 보레이트된 폴리에틸렌을 조합한 차폐로 배경 입자 플럭스를 1000배 이상 감소시킨다.

ABSTRACT

This White Paper brings together our previous studies on a Muon Collider (MC) and presents a design concept of the 6 TeV MC optics, the superconducting (SC) magnets, and a preliminary analysis of the protection system to reduce magnet radiation loads as well as particle backgrounds in the detector. The SC magnets and detector protection considerations impose strict limitations on the lattice choice, hence the design of the collider optics, magnets and Machine Detector Interface (MDI) are closely intertwined. As a first approximation we use the Interaction Region (IR) design with beta-star=3 mm, whereas for the arcs we re-scale the arc cell design of the 3 TeV MC. Traditional cos-theta coil geometry and Nb3Sn superconductor were used to provide field maps for the analysis and optimization of the arc lattice and IR design, as well as for studies of beam dynamics and magnet protection against radiation. The stress management in the coil will be needed to avoid large degradation or even damage of the brittle SC coils. In the assumed IR designs, the dipoles close to the Interaction Point (IP) and tungsten masks in each IR (to protect magnets) help reducing background particle fluxes in the detector by a substantial factor. The tungsten nozzles in the 6 to 600 cm region from the IP, assisted by the detector solenoid field, trap most of the decay electrons created close to the IP as well as most of the incoherent electron-positron pairs generated in the IP. With sophisticated tungsten, iron, concrete and borated polyethylene shielding in the MDI region, the total reduction of background loads by more than three orders of magnitude can be achieved.

연구 동기 및 목표

• 에너지 선봉을 위한 6 TeV 뮤온 콜라이더 설계에서의 핵심 공학 및 물리적 과제를 해결한다.
• 초전도 마그넷 제약과 방사선 하중 제한 조건을 고려한 콜라이더 광학 설계를 개발한다.
• 효과적인 방사선 차폐 및 마그넷 보호를 통해 검출기 내에서의 비드 비트(Beam-induced) 배경을 최소화한다.
• 마그넷과 검출기 구성 요소에 가해지는 방사선 하중을 줄이기 위해 기계적 검출기 인터페이스(MDI)를 최적화한다.
• 고장력 마그넷에서 발생하는 높은 응력에 견디기 위해 연약한 Nb3Sn 초전도 windings의 기계적 강성을 확보한다.

제안 방법

• 아크 및 상호작용 영역(IR) 마그넷에서 고장력 드라이브를 위해 Nb3Sn 초전도체를 사용한 코스-코시네이드(coil) 기하구조를 채택한다.
• 고해상도 빛을 확보하면서도 빔 매개변수를 제약하기 위해 상호작용점에서 베타-스타 = 3 mm를 사용한다.
• 6 TeV 구성에 맞게 3 TeV 뮤온 콜라이더 아크 세포 설계를 재스케일링하여 레이티스 안정성을 유지한다.
• 상호작용점에서 6–600 cm 떨어진 곳에 텅스텐 마스크와 노즐을 설치하여 붕괴 전자와 비일관성 있는 e+e− 쌍을 포획한다.
• 텅스텐, 철, 콘크리트, 보레이트된 폴리에틸렌을 사용한 다층 MDI 차폐 시스템을 설계하여 방사선을 감쇠시킨다.
• 장치 지도 및 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 필드 매핑과 빔 역학, 방사선 보호 분석을 수행하여 배경 감소 효과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 6 TeV 뮤온 콜라이더를 설계할 수 있으며, 철저한 방사선 및 기계적 제약 조건을 충족하는 광학 및 마그넷 시스템을 확보할 수 있는가?
• RQ2 텅스텐 마스크와 자기장이 상호작용점 근처의 빔 유도 배경 입자들을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 MDI 영역에서 방사선 하중을 3개 이상의 주자수 감소시키기 위해 어떤 차폐 구성이 필요한가?
• RQ4 Nb3Sn 초전도 windings에 가해지는 응력 수준이 고장력 작동 조건에서 마그넷 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 3 TeV 아크 세포 설계를 재스케일링하는 것이 6 TeV 콜라이더의 레이티스 안정성과 빔 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 6 TeV 뮤온 콜라이더 설계는 상호작용점에서 베타-스타 = 3 mm를 사용하여 고해상도를 확보하면서도 빔 안정성을 유지한다.
• 상호작용점에서 6–600 cm 떨어진 곳에 설치된 텅스텐 마스크와 노즐은 붕괴 전자와 비일관성 있는 e+e− 쌍을 효과적으로 포획하여 배경 플럭스를 감소시킨다.
• 텅스텐, 철, 콘크리트, 보레이트된 폴리에틸렌을 조합한 다층 차폐 시스템이 총 방사선 배경 하중을 3개 이상의 주자수 감소시킨다.
• 코스-코시네이드 Nb3Sn 코ils의 사용은 고장력 작동을 가능하게 하지만, 연약한 초전도 windings의 열화 또는 손상을 방지하기 위해 신중한 응력 관리가 필요하다.
• 아크 레이티스 설계는 3 TeV 프로토타입에서 재스케일링되었으며, 빔 역학 및 방사선 보호 요구사항을 유지한다.
• 광학, 마그넷, MDI의 통합 설계가 필수적이다. 방사선 및 기계적 제약이 직접적으로 레이티스 및 마그넷 선택을 제한하기 때문이다.