[논문 리뷰] Higgs Factory and 100 TeV Hadron Collider: Opportunity for a New World Laboratory within a Decade

S. Assadi, Chase Collins외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 24.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 취소된 초전도 초거성 충돌기(SSC)의 터전을 활용하여, 80–100km의 기존 터널을 바탕으로 10년 이내에 새로운 글로벌 실험실을 구축하는 비용 효율적인 10년 계획을 제안한다. 이 계획은 허브스 팩터리(e⁺e⁻ 충돌기)와 100테라전자볼트의 강입자 충돌기를 동시에 운영할 수 있도록 한다. 저비용 터널 공사, 4.5T 초전도 자석, 그리고 허브스 팩터리 인젝터를 이용한 X선 자유전자 레이저(XFEL)로 재사용함으로써, 고에너지 물리학과 구조 생물학 분야의 발전을 10년 내로 이룰 수 있다.

ABSTRACT

Suggestions have been made for a 80-100 km circumference Future Circular Collider (FCC) that could ultimately contain a circular e+e- ring collider operating as a Higgs Factory as well as a 100 TeV hadron collider. Those suggestions have motivated us to propose an approach in which the project is sited at the location at the SSC tunnel, which has the lowest tunnel cost ever. The low tunnel cost would make it cost-effective to locate the 100 TeV Hadron Collider in a 270 km circumference tunne, using 4.5 Tesla superconducting magnets. The SSC tunnel itself would be used to house the Higgs Factory and the injector for the Hadron Collider. The injector for the Higgs Factory would be also used as a driver for an X-ray Free Electron Laser with unique capabilities for protein crystallography. The location of the project at a location with favorable geotechnology for minimum-cost tunneling, and low-cost/low-risk technology for the SRF and superconducting magnets, open the possibility to build the proposed laboratory within a decade.

연구 동기 및 목표

• 10년 이내에 다음 세대 입자물리학 실험실을 구축할 수 있는 가능성을 탐색한다.
• 취소된 초전도 초거성 충돌기(SSC)에서 남아 있는 80–100km 터널을 활용하여 비용을 절감한다.
• 4.5T 초전도 자석과 저위험 기술을 사용하여 허브스 팩터리와 100테라전자볼트의 강입자 충돌기를 실현한다.
• 허브스 팩터리 인젝터를 활용하여 고반복 주기의 X선 자유전자 레이저(XFEL)를 구동함으로써 고급 단백질 결정학 연구를 가능하게 한다.
• 입자물리학과 구조 생물학 분야에서 높은 과학적 영향을 미치는 글로벌로 접근 가능한 연구 시설을 구축한다.

제안 방법

• 취소된 SSC의 기존 80–100km 터널을 새로운 원형 충돌기 복합체로 재활용한다.
• 270km 둘레의 고리에서 4.5T 초전도 자석을 사용하여 100테라전자볼트의 강입자 충돌기를 설계한다.
• 동일한 터널 내에 원형 e⁺e⁻ 충돌기(허브스 팩터리)를 설치하여 정밀한 허브스 보손 연구를 수행한다.
• 허브스 팩터리 인젝터를 고반복 주기의 X선 자유전자 레이저(XFEL) 구동원으로 활용한다.
• SSC 현장의 유리한 지질공학 조건을 활용하여 터널 공사 비용과 위험을 최소화한다.
• 저비용, 저위험 구현 전략을 적용하여 SRF(초전도 라디오파장) 및 초전도 자석 기술을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 인프라를 활용하여 저비용으로 고에너지 물리학 실험실을 10년 이내에 건설할 수 있는가?
• RQ2 SSC 터널 현장이 허브스 팩터리와 100테라전자볼트의 강입자 충돌기를 동시에 수용할 수 있는가?
• RQ3 허브스 팩터리의 인젝터를 고성능 X선 자유전자 레이저(XFEL)를 지원하는 데 재활용할 수 있는가?
• RQ4 270km 고리에서 4.5T 초전도 자석을 사용할 경우의 기술적·경제적 이점은 무엇인가?
• RQ5 SSC 현장의 유리한 지질공학 조건이 터널 공사 비용과 프로젝트 위험을 어떻게 줄일 수 있는가?

주요 결과

• SSC 터널 현장에서는 대규모 충돌기 건설 사상 가장 낮은 터널 비용을 확보할 수 있어 전체 프로젝트 비용을 크게 절감할 수 있다.
• 4.5T 초전도 자석과 저위험·저비용 기술을 사용하여 270km 둘레의 고리에서 100테라전자볼트의 강입자 충돌기를 건설할 수 있다.
• 허브스 팩터리와 인젝터 시스템을 동일한 터널에 통합함으로써 정밀한 허브스 보손 측정이 가능해진다.
• 허브스 팩터리 인젝터를 재활용하여 고반복 주기의 X선 자유전자 레이저(XFEL)를 구동할 수 있으며, 이는 단백질 결정학에 고유한 능력을 제공한다.
• 유리한 지질공학 조건, 기존 인프라, 그리고 성숙한 기술의 조합으로 10년 이내의 건설 일정을 확보할 수 있다.
• 제안된 실험실은 입자물리학과 구조 생물학 연구를 위한 글로벌로 접근 가능한 플랫폼을 제공한다.