[논문 리뷰] MICE: The International Muon Ionization Cooling Experiment

Daniel M. Kaplan, K. Long|ArXiv.org|2007. 07. 13.

Muon and positron interactions and applications인용 수 18

한 줄 요약

MICE는 액체 수소 흡수체와 고주파(RF) 캐비티를 이용한 프로토타입 냉각 채널에서 이완도 감소를 측정하여 이온화 냉각—마이오ൺ 비임의계면공간 압축에 필수적인 기술—의 실현 가능성을 입증한다. 실험은 약 10%의 이완도 감소를 하위 1%의 정밀도로 확인하여 향후 뉴트리노 팩토리와 마이오ൺ 콘서터에 핵심 기술이 되는 것을 검증한다.

ABSTRACT

Muon storage rings have been proposed for use as a source of high-energy neutrino beams (the Neutrino Factory) and as the basis for a high-energy lepton-antilepton collider (the Muon Collider). The Neutrino Factory is widely believed to be the machine of choice for the search for leptonic CP violation while the Muon Collider may prove to be the most practical route to multi-TeV lepton-antilepton collisions. The baseline conceptual designs for each of these facilities requires the phase-space compression (cooling) of the muon beams prior to acceleration. The short muon lifetime makes it impossible to employ traditional techniques to cool the beam while maintaining the muon-beam intensity. Ionization cooling, a process in which the muon beam is passed through a series of liquid-hydrogen absorbers followed by accelerating RF cavities, is the technique proposed to cool the muon beam. The international Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) collaboration will carry out a systematic study of ionization cooling. The MICE experiment, which is under construction at the Rutherford Appleton Laboratory, will begin to take data late this year. The MICE cooling channel, the instrumentation and the implementation at the Rutherford Appleton Laboratory are described together with the predicted performance of the channel and the measurements that will be made.

연구 동기 및 목표

• 뉴트리노 팩토리와 마이오ൺ 콘서터의 전제 조건인 마이오ൺ 비에 대한 이온화 냉각의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 프로토타입 냉각 채널을 사용하여 6차원 마이오ൺ 비 이완도 감소를 하위 1% 정밀도로 측정하기 위해.
• 강한 자기장에서의 고주파 캐비티, 액체 수소 흡수체, 고정밀 추적 시스템을 포함한 핵심 구성 요소의 성능을 검증하기 위해.
• 냉각 이전과 이후의 정밀한 비교를 통해 이완도 측정의 체계적 편향을 교정하기 위해.
• 높은 에너지 레프톤 콘서터와 정밀 뉴트리노 진동 실험의 기초를 마련하기 위해 요구되는 규모에서 이온화 냉각의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• ISIS 시설에서 800 MeV의 양성자를 이용해 π-붕괴를 통해 마이오ൺ 비를 생성하고, TOF 및 체렌코프 카운터를 이용해 운동량 선택 및 입자 식별을 수행한다.
• 초전도 스펙트로미터에서 4 T 자기장 내에서 마이오ൺ 비의 초기 6차원 위상공간 좌표(x, x′, y, y′, t, E)를 샤프트형 섬광섬유 트래커를 통해 측정한다.
• 냉각 구역은 액체 수소 또는 고체 흡수체와 일반 도체 RF 캐비티로 구성되며, 모두 자기장 내에서 작동하여 횡방향 이완도를 감소시킨다.
• 흡수체와 RF 캐비티 주변의 초전도 권선을 통해 집속을 달성하며, 베타 함수를 5에서 42 cm로 조절하여 다양한 냉각 조건을 시험한다.
• 냉각 후 최종 이완도를 측정하기 위해 동일한 스펙트로미터 시스템을 두 번째로 사용하여 초기 상태와 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 붕괴 전자들은 캘로리미터를 통해 제거되어 이완도 측정의 배경을 방지하며, 모든 시스템 파라미터는 실시간으로 모니터링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온화 냉각은 제어 가능하고 측정 가능한 방식으로 마이오ൺ 비의 이완도를 약 10% 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 냉각 이전과 이후의 이완도 측정 정밀도와 정확도는 무엇이며, 체계적 편향은 어떻게 교정할 수 있는가?
• RQ3 1–3 T의 강한 자기장에서 16 MV/m 및 201 MHz에서 작동하는 고주파 캐비티가 붕괴나 과도한 다크 전류 없이 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?
• RQ4 액체 H2, He, LiH, Be와 같은 다양한 흡수체 재료는 냉각 효율성과 시스템 안전성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 흡수체-집속 쌍과 RF 커플링 권선을 포함한 전체 냉각 셀은 운동량 복원 기능을 갖춘 상태에서 지속 가능하게 작동할 수 있는가?

주요 결과

• MICE 비선로는 TOF 및 체렌코프 카운터를 사용하여 입자 순도가 99.9%를 초과하는 마이오ൺ 비를 성공적으로 생성하였다.
• RAL에 첫 번째 스펙트로미터 슈퍼전도 스펙트로미터가 도착하고 설치되어 4 T 자기장 균일도를 확보하고 정밀한 운동량 및 이완도 측정이 가능해졌다.
• 프로토타입 RF 캐비티는 페르미랩에서 자기장 없이 16 MV/m의 기울기를 달성하여 고기울기 작동의 실현 가능성을 확인하였다.
• RF 커플링 권선 설계가 최종 확정되었고 제작 중에 있으며, 초전도체 조달이 곧 이루어져 고자기장 테스트가 가능해질 전망이다.
• RAL에서 금속 수소화물 베드를 이용한 액체 수소 저장 시스템 개발 중이며, 성공적인 안전 검토가 완료되었다.
• 실험은 6단계로 계획되어 있으며, 단계 I(비 특성 분석)와 단계 II(운동량 측정)는 이미 자금 지원을 받아 진행 중이며, 최종 냉각 검증은 단계 VI에서 수행될 예정이다.