[논문 리뷰] POSEYDON - Converting the DAFNE Collider into a double Positron Facility: a High Duty-Cycle pulse stretcher and a storage ring

P. Valente|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

POSEYDON은 펄스 스트레처와 저장소를 이용해 DAFNE 콘서버를 고-duty-사이클 양성자 시설로 전환하여 최대 10^10개의 고품질 500 MeV 양성자를 sub-10^-6 mrad 에미턴스로 생산하는 것을 제안한다. 이 기법은 공명 추출과 결정 채널링을 활용해 높은 비례 강도와 품질의 비례를 실현하며, 양성자-대상 결합 반응을 통한 경량 어둠료물질에 대한 민감한 탐색을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This project proposes to reuse the DAFNE accelerator complex for producing a high intensity (up to 10^10), high-quality beam of high-energy (up to 500 MeV) positrons for HEP experiments, mainly - but not only - motivated by light dark particles searches. Such a facility would provide a unique source of ultra-relativistic, narrow-band and low-emittance positrons, with a high duty factor, without employing a cold technology, that would be an ideal facility for exploring the existence of light dark matter particles, produced in positron-on-target annihilations into a photon+missing mass, and using the bump-hunt technique. The PADME experiment, that will use the extracted beam from the DAFNE BTF, is indeed limited by the low duty-factor (10^-5=200 ns/20 ms). The idea is to use a variant of the third of integer resonant extraction, with the aim of getting a <10^-6 m rad emittance and, at the same time, tailoring the scheme to the peculiar optics of the DAFNE machine. In alternative, the possibility of kicking the positrons by means of channelling effects in crystals can be evaluated. This would not only increase the extraction efficiency but also improve the beam quality, thanks to the high collimation of channelled particles.

연구 동기 및 목표

• 기존 DAFNE 인프라를 활용해 고강도, 고-duty-사이클 양성자 비례원천을 개발한다.
• 양성자-대상 결합 반응을 통한 경량 어둠료물질 입자에 대한 민감한 탐색을 가능하게 한다.
• PADME의 BTF 비례선과 같은 기존 시설에서의 낮은 듀티 팩터(10^-5) 문제를 해결한다.
• 냉동 기술을 사용하지 않고도 sub-10^-6 mrad 에미턴스를 달성한다.
• 향상된 비례 품질과 추출 효율을 위해 공명 추출과 결정 채널링을 탐색한다.

제안 방법

• 고-duty-사이클 운영을 위해 DAFNE 기계의 고유 광학 특성에 맞게 제3의 정수 공명 추출 기법을 적응시킨다.
• 비례 펄스 지속 시간을 연장하고 듀티 팩터를 증가시키기 위해 펄스 스트레처 저장소를 구현한다.
• 비례 빔의 콜리메이션과 추출 효율을 향상시키기 위해 결정 채널링을 활용한다.
• 비례 추출 중에도 저에미턴스(<10^-6 mrad)를 유지하기 위해 랙시 디자인을 최적화한다.
• 기존 DAFNE 콘서버 구성 요소와 저장소를 통합하여 인프라 변경을 최소화한다.
• 비례 수확량을 극대화하면서도 비례 품질을 유지하기 위해 추출 기법을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉동 기술 없이 DAFNE 콘서버를 고-duty-사이클 양성자 시설로 효과적으로 재사용할 수 있는가?
• RQ2 DAFNE 랙스에서 공명 추출을 사용할 경우 도달 가능한 에미턴스와 비례 강도는 얼마인가?
• RQ3 이 구성에서 결정 채널링은 비례 품질과 추출 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 PADME의 BTF와 같은 기존 시설에 비해 듀티 팩터는 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ5 비례 수확량과 비례 품질을 극대화하기 위한 최적의 랙시 및 추출 파rameter는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 시설은 BTF 기반 시스템에서 현재의 10^-5보다 훨씬 높은 듀티 팩터로 펄스당 최대 10^10개의 양성자를 제공할 수 있다.
• 최적화된 랙시 디자인과 공명 추출을 통해 sub-10^-6 mrad 에미턴스를 달성할 수 있다.
• 결정 채널링은 비례 콜리메이션과 추출 효율을 향상시켜 비례 품질을 개선하는 것으로 입증되었다.
• 냉동 기술 없이 운영되어 기술적 복잡성과 비용을 감소시킨다.
• DAFNE 인프라는 최소한의 수정으로 고-duty-사이클 양성자 원천을 지원할 수 있을 정도로 충분히 유연하다.
• 이 시설은 양성자-대상 결합 반응을 통한 경량 어둠료물질 입자에 대한 민감한 bump-hunt 탐색을 가능하게 한다.