[논문 리뷰] FNAL PIP-II Accumulator Ring

W. Pellico, Chandra R. Bhat외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 PIP-II 부스터 전이선 영역에 0.8 GeV(향후 1+ GeV으로 업그레이드 가능)의 영구자석 기반 누적 고리(PAR)를 설계하고 구축하여 향후 고출력 뉴트리노 및 어둠성 영역 물리 실험 프로그램을 위한 고강도 프로톤 비임을 부스터에 주입할 수 있도록 제안한다. PAR는 연속파(CW) 리어레이 운영을 가능하게 하고, 주입 손실을 줄이며, RF 위상 锁정을 단순화하며, 어둠성 영역 실험을 위한 100kW 이상의 비임 출력을 지원한다. 8 GeV 뉴트리노 프로그램에 대해 예상되는 비임 출력은 87 kW이다.

ABSTRACT

The FNAL accelerator complex is poised to reach MW neutrino beams on target for the exploration of the dark sector physics and rare physics program spaces. Future operations of the complex will include CW linac operations at beam intensities that have not been seen before \cite{PIP2,RCS_LOI}. The ambitious beam program relies on multi-turn H$^{-}$ injection into the FNAL Booster and then extracted into delivery rings or the Booster Neutrino Beam (BNB) 8 GeV HEP program. A new rapid-cycling synchrotron (RCS) will be required to reach the LBNF goal of 2.4 MW because of intense space-charge limitations. There are many accelerator engineering challenges that are already known and many that will be discovered. This proposal calls for an intermediate step that will both facilitate the operation of Booster in the PIP-II era and gain operational experience associated with high power injection rings. This step includes the design, construction and installation of a 0.8 GeV accumulator ring (upgradeable to 1+ GeV) to be located in the PIP-II Booster Transfer Line (BTL). The PIP-II accumulator ring (PAR) may be primarily designed around permanent magnets or use standard iron core magnet technology with an aperture selected to accommodate the desired high intensity protons at 0.8 GeV.

연구 동기 및 목표

• 미래 고출력 뉴트리노 및 어둠성 영역 물리 실험 프로그램을 위해, PIP-II 부스터에 사상 초월의 비임 강도로 고강도 프로톤 비임을 주입하는 데 도전하는 것.
• H⁻ 탈가스 및 비임 축적을 전용 고리로 이전하여 부스터 내 주입 손실과 운영 복잡성을 줄이는 것.
• 미래 2.4 MW 뉴트리노 비임 프로그램과 어둠성 영역 물리 실험을 위한 고출력 연속파(CW) 비임 운영을 가능하게 하는 것.
• PIP-II 인프라를 활용하여 향후 비임 에너지 상승과 새로운 물리 프로그램을 위한 유연하고 업그레이드 가능한 플랫폼을 제공하는 것.
• 100톤의 LAr 스크린실레이션 전용 검출기(PIP2-BD)를 이용해 세계 최고 수준의 민감도를 확보함으로써 어둠성 영역 물리 실험의 길을 가속화하는 것.

제안 방법

• PIP-II 부스터 전이선(BTL) 영역에 위치한 부스터의 반만의 둘레를 사용하여 약 477m의 총 둘레를 가진 접힌 0.8 GeV 누적 고리(PAR)를 설계한다.
• 영구자석 기술(Nd2Fe14B 또는 Sm2Co17)을 사용하여 3.1인치 약실에서 약 ~0.3 T의 자기장 강도를 확보함으로써 무전력 작동과 고신뢰성을 달성한다.
• PIP-II 리어레이에서 PAR로 단일 터널 주입을 수행한 후 비임을 축적하고, 이후 부스터로 이송하여 8 GeV까지 가속화한다.
• 장직선부에 RF 캐비티와 추출 하드웨어를 통합하고, 주입 영역에서의 비임 손실을 줄이기 위해 차폐 및 비임 덤프 설계를 적용한다.
• PAR의 RF를 PIP-II 리어레이 RF에 위상 锁정함으로써 부스터 RF에 위상 锁정하는 것보다 동기화를 단순화한다.
• Geant4와 BdNMC를 사용하여 비임 동역학과 검출기 반응을 시뮬레이션하여, 제안된 100톤 LAr 검출기(PIP2-BD)에서의 어둠성 물질 신호 감도와 CEvNS 배경을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미래 2.4 MW 뉴트리노 비임 프로그램에 필요한 비임 강도와 출력 수준을 감당할 수 있는 0.8 GeV 영구자석 누적 고리를 설계할 수 있는가?
• RQ2 PAR로 비임 축적 및 H⁻ 탈가스를 이전함으로써 부스터 내 주입 손실과 운영 안정성이 어떻게 감소하는가?
• RQ3 PAR를 사용할 경우 어둠성 영역 물리 실험을 위한 달성 가능한 비임 출력은 얼마이며, 레프토포비아 및 벡터 포털 어둠성 물질에 대해 세계 최고 수준의 민감도를 지원할 수 있는가?
• RQ4 PAR는 PIP-II 및 DUNE 프로그램의 RF 동기화를 얼마나 단순화하고 램프업 시간을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 PAR 설계는 PIP-II 리어레이에서 더 높은 비임 에너지를 수용할 수 있도록 주요 수정 없이 업그레이드할 수 있는가?

주요 결과

• PAR 설계는 어둠성 영역 물리 실험을 위한 100kW 이상의 비임 출력을 가능하게 하며, 8 GeV 뉴트리노 HEP 프로그램에 대해 예상되는 비임 출력은 87 kW이다.
• 접힌 고리 레이아웃을 통해 부스터의 반만의 둘레를 사용함으로써 PIP-II BTL 영역 내에 컴act한 면적을 확보하고 PIP-II 건설에 미치는 영향를 최소화할 수 있다.
• 영구자석 기술은 전력 소비를 줄이고 신뢰성을 향상시키며 조립 비용을 낮추며, 기준 자기장 강도는 3.1인치 약실에서 약 ~0.3 T이다.
• PAR의 RF를 PIP-II 리어레이 RF에 위상 锁정하는 것이 부스터 RF에 위상 锁정하는 것보다 단순하며, PAR의 평탄한 자기장 덕분에 주입 안정성이 향상된다.
• PAR에 의해 구동되는 탄소 비임 덤프에서 18m 뒤에 위치한 제안된 PIP2-BD 검출기는 레프토포비아 및 벡터 포털 어둠성 물질 모델에 대해 세계 최고 수준의 90% 신뢰수준 민감도를 확보한다.
• 5년 운용 및 75% 가동률을 가정할 경우, 스칼라 어둠성 물질의 열적 유물 밀도 목표를 타당하게 탐색할 수 있으며, 1GeV 이하 질량 범위에서 새로운 한계를 설정할 수 있다.