[논문 리뷰] Enabling Intensity and Energy Frontier Science with a Muon Accelerator Facility in the U.S.: A White Paper Submitted to the 2013 U.S. Community Summer Study of the Division of Particles and Fields of the American Physical Society

J-P. Delahaye, C. Ankenbrandt외 14명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 02.

Neutrino Physics Research인용 수 38

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 흑색 중성자 탐색 및 뮥온 냉각 기술 연구개발을 위한 nuSTORM을 통해 시작하여, 정밀 중성자 물리학을 위한 뉴트리노 팩토리로 이어지고, 최종적으로 힉스 보손 연구와 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 위한 고에너지 뮥온 충돌기로 이어지는 단계적 미국 뮤온 가속기 시설 계획을 제안한다. 이 시설은 통합된 기술 개발과 물리 탐구를 통해 강도 및 에너지 선단 과학을 모두 가능하게 한다.

ABSTRACT

A staged approach towards muon based facilities for Intensity and Energy Frontier science, building upon existing and proposed facilities at Fermilab, is presented. At each stage, a facility exploring new physics also provides an R&D platform to validate the technology needed for subsequent stages. The envisioned program begins with nuSTORM, a sensitive sterile neutrino search which also provides precision neutrino cross-section measurements while developing the technology of using and cooling muons. A staged Neutrino Factory based upon Project X, sending beams towards the Sanford Underground Research Facility (SURF), which will house the LBNE detector, could follow for detailed exploration of neutrino properties at the Intensity Frontier, while also establishing the technology of using intense bunched muon beams. The complex could then evolve towards Muon Colliders, starting at 126 GeV with measurements of the Higgs resonance to sub-MeV precision, and continuing to multi-TeV colliders for the exploration of physics beyond the Standard Model at the Energy Frontier. An Appendix addresses specific questions raised by the Lepton Colliders subgroup of the CSS2013 Frontier Capabilities Study Group.

연구 동기 및 목표

• 강도 및 에너지 선단 과학을 연결하는 장기적이고 지속 가능한 미국 뮤온 기반 입자물리 프로그램을 구축하기 위해.
• 정밀 측정과 고에너지 충돌을 위해 고강도, 저산란도 뮤온 비임을 만드는 데 도전하는 데에.
• 단계적이고 점진적인 접근 방식을 통해 뮤온 냉각, 비임 처리, 가속기 시스템 등의 핵심 기술을 개발하고 검증하기 위해.
• 현재 페르미랩 및 프로젝트 X 인프라를 활용하여 미국이 차세대 입자물리 분야의 선도자가 될 수 있도록 하기 위해.
• 서브-메가전자볼트 정밀도의 힉스 공진 상태 연구와 표준모형을 초월한 새로운 물리학 탐구를 가능하게 하는 뮤온 충돌기로 향하는 기술적 길을 제공하기 위해.

제안 방법

• 페르미랩에 위치한 전용 시설인 nuSTORM을 시작으로, 흑색 중성자 탐색 및 고정밀도 뉴트리노 촬영단면적 측정을 수행한다.
• 프로젝트 X를 통해 고강도 프로톤 비임을 생산하여 뮤온 생성과 이후 비임 냉각을 위한 기반을 마련한다.
• 이온화 냉각 기법을 적용하여 뮤온 비임의 산란도를 감소시켜 효율적인 운반과 가속을 가능하게 한다.
• 냉각된 뮤온 비임을 이용해 뉴트리노 팩토리를 건설하고, 사반던드 지하연구시설(SURF)에 위치한 LBNE 검출기로 향하도록 비임을 조절하여 뉴트리노 진동 연구를 심층적으로 수행한다.
• 126 기가전자볼트 중심질량 에너지 이상의 고에너지·고광도 충돌을 위해 시설을 고도화하여 뮤온 충돌기로 진화시킨다.
• 각 단계에서 초전도 RF 캐비티, 자기 집중 시스템, 비임 진단 기술에 대한 연구개발을 통합하여 향후 단계의 기술 준비도를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단계적 뮤온 가속기 시설은 강도 선단에서 정밀한 뉴트리노 성질 측정을 가능하게 하면서도 필수적인 비임 냉각 기술을 개발할 수 있는가?
• RQ2 뮤온 충돌기를 활용하여 힉스 보손 공진 상태 연구에서 서브-메가전자볼트 에너지 해상도를 달성하는 최적의 길은 무엇인가?
• RQ3 순차적인 실험 단계를 통해 뮤온 비임 냉각 및 처리 기술을 어떻게 점진적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 페르미랩의 프로젝트 X와 SURF 인프라는 지속 가능한 미국 뮤온 물리 프로그램을 뒷받침하는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ5 뉴트리노 팩토리에서 고에너지 뮤온 충돌기로 전환하기 위해 필요한 기술적 및 과학적 주요 성과는 무엇인가?

주요 결과

• nuSTORM는 전자볼트 질량 범위에서 10^-4에서 10^-5 수준의 흑색 중성자 감도를 확보할 수 있으며, 기존 실험들을 초월한 발견 잠재력을 지닌다.
• 뉴트리노 팩토리 단계에서는 에너지 해상도와 강도가 충분하여 뉴트리노 진동 매개변수를 백분율 이하 정밀도로 측정할 수 있다.
• 초기 단계에서 검증된 이온화 냉각 기법은 뮤온 비임의 산란도를 100배 이상 감소시켜 효율적인 비임 스택 및 가속을 가능하게 한다.
• 126 기가전자볼트 뮤온 충돌기는 힉스 공진 에너지 해상도를 1 메가전자볼트 이하로 확보하여 정밀한 결합 상수 및 너비 측정이 가능하다.
• 단계적 접근은 각 단계에서 과학적 성과와 함께 핵심 기술 검증을 동시에 제공하여 향후 업그레이드의 위험을 줄인다.
• 전체 시설 로드맵은 현재 페르미랩에서 진행 중인 연구개발에 기반하여 기술적으로 실현 가능하며, 물리 목표와 가속기 혁신 간에 강력한 상호보완성이 있다.