[논문 리뷰] Impact of high Q on ILC250 upgrade for record luminosities and path toward ILC380

H. Padamsee, Anna Grassellino외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 03.

Electrostatic Discharge in Electronics참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고품질 인덕터(고Q) 초전도 무선주파수(SRF) 캐비티를 활용하여 ILC250의 루미노시티를 8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹으로 향상시켜 편광이 있는 효과적 루미노시티 2.0×10³⁵ cm⁻²s⁻¹를 달성할 수 있도록 제안한다. 이 업그레이드 비용은 약 2.2 B ILCU이며, 총 ILC 고루미노시티 비용은 7.7 B ILCU로 증가하며, AC 전력 소비는 267 MW에 불과하여 FCC-ee보다 더 비용 효율적이고 에너지 효율적이다.

ABSTRACT

In this paper, we address the possibility of upgrading the ILC250 luminosity to $8.1 imes 10^{34}$, so that with the polarization feature, the effective luminosity will be $2.0 imes 10^{35}$ to compete with the FCC-ee luminosity and two detectors. The additional cost of the higher luminosity option will be about 2.2 B ILCU. The total cost for the ILC high luminosity machine will therefore be about 7.7 B versus FCC-ee 10.5 B. The AC power (267 MW) to operate the ILC luminosity upgrade will also be less than the AC power for FCC-ee (300 MW). Even with a modest quality factor Q of $1 imes 10^{10}$ for SRF cavities, the total cost of the upgrade will be 2.5 B ILCU additional over ILC250 baseline. We expect that, if approved, ILC250 will first be built at the baseline luminosity, operated for many years at this luminosity, and later upgraded to the high luminosity option. A significant part (RF power and cryo-power) of the additional cost for the luminosity upgrade overlaps with the expected additional costs for anticipated energy upgrade paths. A second ILC upgrade discussed in this paper will be to the higher energy Top Factory at 380 GeV. We also estimate the additional cost of this upgrade (1.5 B ILCU).

연구 동기 및 목표

• ILC250의 루미노시티를 8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹로 향상시켜 물리적 탐색 범위를 향상시키기 위한 타당성과 비용을 평가하는 것.
• 고Q 인덕터 초전도 무선주파수(RF) 캐비티의 사용이 루미노시티 업그레이드의 비용과 전력 소비를 줄이는 데 미치는 영향를 평가하는 것.
• 업그레이드된 ILC250의 총 비용과 AC 전력 요구량을 FCC-ee 콘서트와 비교하는 것.
• ILC250에서 380 GeV 중심질량 에너지(탑 팩토리)로의 후속 업그레이드에 대한 비용과 기술적 경로를 추정하는 것.

제안 방법

• 고Q 인덕터 SRF 캐비티를 사용하여 ILC250의 8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미노시티 조건에서 RF 및 냉각 전력 요구량을 모델링하는 것.
• RF 및 냉각 전력 요구량 증가에 기반하여 루미노시티 업그레이드에 추가로 소요되는 비용을 추정하는 것.
• 업그레이드된 ILC(267 MW)의 AC 전력 소비를 FCC-ee(300 MW)와 비교하는 것.
• 루미노시티 업그레이드와 향후 에너지 업그레이드 경로(380 GeV로의 전환) 간의 비용 겹침을 평가하는 것.
• 비용과 성능의 상호 교환 관계를 계산하기 위해 SRF 캐비티의 기본 기준 Q 인덕터를 1×10¹⁰로 설정하는 것.
• ILC250에서 ILC380으로의 후속 업그레이드 비용을 추정하여 1.5 B ILCU로 산정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILC250에서 8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미노시티를 달성하기 위해 필요한 RF 및 냉각 전력의 증가량은 얼마인가요?
• RQ2 고Q 인덕터 SRF 캐비티(Q = 1×10¹⁰)의 사용이 ILC250 루미노시티 업그레이드의 비용과 전력 효율성에 미치는 영향는 어떠한가요?
• RQ3 ILC250 고루미노시티 업그레이드의 총 비용은 얼마이며, FCC-ee 프로젝트 비용과 비교해보면 어떠한가요?
• RQ4 ILC250의 250 GeV에서 380 GeV 중심질량 에너지로의 업그레이드에 필요한 추가 비용과 기술적 경로는 무엇인가요?
• RQ5 루미노시티 업그레이드의 비용과 전력 요구량이 향후 에너지 업그레이드 요구사항과 얼마나 겹치는가요?

주요 결과

• ILC250의 루미노시티 업그레이드로 8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹를 달성하기 위해 추가로 2.2 B ILCU의 비용이 소요되며, 이로 인해 총 ILC 고루미노시티 비용은 7.7 B ILCU로 증가한다.
• 1×10¹⁰의 보통 수준의 Q 인덕터를 사용할 경우, 루미노시티 업그레이드 총 비용은 약 2.5 B ILCU로 추정되며, 이는 캐비티 성능에 민감함을 시사한다.
• 업그레이드된 ILC250의 AC 전력 요구량은 267 MW이며, 이는 FCC-ee가 요구하는 300 MW보다 낮아 에너지 효율성이 향상됨을 나타낸다.
• 편광이 있는 효과적 루미노시티 2.0×10³⁵ cm⁻²s⁻¹는 ILC가 FCC-ee와 동등한 물리적 탐색 능력을 확보할 수 있음을 의미한다.
• ILC250에서 380 GeV 중심질량 에너지로의 업그레이드 비용은 약 1.5 B ILCU로 추정된다.
• 루미노시티 업그레이드의 상당 부분이 향후 에너지 업그레이드에 예상되는 비용과 겹쳐져 있어 추가 투자 비용이 감소한다.