[논문 리뷰] Positron driven muon source for a muon collider

D. Alesini, M. Antonelli외 56명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 14.

Muon and positron interactions and applications참고 문헌 18인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 향후 뮤온 충돌기용 양전자 구동형 뮤온 소스인 LEMMA 개념을 제안한다. 이는 저원자수 목표물에서 임계 에너지의 $e^+e^-$ 충돌을 통해 뮤온 쌍을 생성하기 위해 고에너지·저산란도의 양전자 고리(positron ring)를 사용한다. 높은 빛의 밝기 뮤온 비임계를 실현하고 산란도 증가를 최소화하며, 다중 빔 통과를 활용함으로써 이론적 뮤온 생성 효율이 1번 당 최대 $10^{-5}$에 이를 수 있으며, 냉각 시스템에 대한 의존도를 크게 줄이고 고광도 충돌기 운용이 가능한 최적화된 목표물 재료와 비임계 역학을 통해 실현된다.

ABSTRACT

The design of a future multi-TeV muon collider needs new ideas to overcome the technological challenges related to muon production, cooling, accumulation and acceleration. In this paper a layout of a positron driven muon source known as the Low EMittance Muon Accelerator (LEMMA) concept is presented. The positron beam, stored in a ring with high energy acceptance and low emittance, is extracted and driven to a multi-target system, to produce muon pairs at threshold. This solution alleviates the issues related to the power deposited and the integrated Peak Energy Density Deposition (PEDD) on the targets. Muons produced in the multi-target system will then be accumulated before acceleration and injection in the collider. A multi-target line lattice has been designed to cope with the focusing of both the positron and muon beams. Studies on the number, material and thickness of the targets have been carried out. A general layout of the overall scheme and a description is presented, as well as plans for future R&D.

연구 동기 및 목표

• 다음세대 테바 뮤온 충돌기 구현을 위한 뮤온 생성, 냉각, 가속 분야의 주요 기술적 과제를 해결하기 위해.
• 뮤온 산란도 증가를 최소화하고 광범위한 냉각 시스템에 대한 의존도를 줄이는 새로운 소스 개념을 개발하기 위해.
• 고에너지·저산란도의 양전자 빔이 최적화된 저원자수 목표물과 상호작용함으로써 고빛의 밝기 뮤온 비임계를 실현하기 위해.
• 다중 통과 양전자 고리 기반 기술의 실현 가능성을 평가하여 높은 반복률로 효율적인 뮤온 생성을 가능하게 하기 위해.
• 충돌기 수준의 광도를 달성하기 위한 비임계 역학, 목표물 재료, 가속기 서브시스템 분야의 핵심 연구개발(R&D) 길잡이를 규명하기 위해.

제안 방법

• 고에너지·저산란도의 양전자 고리(PR)를 활용하여 빔을 저장하고, 다중 목표물 시스템과의 상호작용을 위해 빔을 추출한다.
• 저원자수 재료(예: 베릴륨, 탄소, 다이아몬드, 액체 수소)로 구성된 다중 목표물 선로를 활용하여 뮤온 쌍 생성 효율을 극대화하고 산란도 증가를 최소화한다.
• 임계 에너지 근처(약 0.23 GeV의 질량 중심 에너지)에서 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-$ 반응의 단면적을 적용하여 최대 약 1 μb의 생산 효율을 달성한다.
• 뮤온 수확량, 빔 에너지 분포, 방사선 손상 간 균형을 고려해 목표물 두께와 빔 파rameter를 최적화하며, $\rho^{-}l \approx 10^{25}\ \text{cm}^{-2}$를 최대 달성 가능한 곱으로 간주한다.
• 동기진동 전력 감소와 고전류 운용(최대 250 mA)을 가능하게 하기 위해 양전자 고리에서 푸시-풀 구성(-push-pull configuration)을 도입한다.
• 뮤온의 긴 실험실 수명(~460 μs)을 활용하여 다중 빔 통과 기반의 뮤온 축적 고리 두 개를 통해 빔을 빠르게 축적하는 다중 통과 기술을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광범위한 냉각 시스템 없이도 고광도 뮤온 충돌기를 실현하기 위해 충분한 뮤온 생성 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 구리 등 무거운 재료와 비교해 베릴륨, 탄소, 다이아몬드, 액체 수소 등의 저원자수 목표물 재료는 뮤온 수확량과 산란도 증가 측면에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ3 복사 Bhabha 산란과 빔 에너지 손실 제약 조건을 고려할 때, 최대 달성 가능한 뮤온 생성 효율은 얼마인가?
• RQ4 다중 빔 통과와 높은 반복률을 지원하기 위해 비임계 역학과 고리 설계를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 저산란도 생성과 결합했을 때 중간 정도의 냉각이 광도 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 뮤온 생성 효율의 이론적 최대치는 $\mu^+\mu^-$ 단면적과 복사 Bhabha 단면적의 비율에 의해 제한되며, 1번 당 최대 $10^{-5}$이다.
• 구리와 같은 무거운 재료에 비해 베릴륨, 탄소, 다이아몬드 등의 저원자수 재료는 훨씬 높은 뮤온 생성 효율과 낮은 산란도 증가를 보인다.
• 단일 통과 운용의 최적 조건은 목표물 두께를 0.3X(방사선 길이 기준)로 설정할 때이며, 뮤온 수확량과 빔 열화 간 균형을 이룬다.
• 다중 상호작용 지점(Multi-IP) 구성에서 액체 수소 목표물을 사용할 경우, 빔 통과 수를 줄이고 효과적 두께를 높여 광도를 약 15배 향상시킬 수 있다.
• 고전압 RF 시스템과 푸시-풀 운용을 통해 양전자 고리 전류를 3~4배 증가시키면 빔 통과 수가 증가하여 광도에 제곱법적 향상이 가능하다.
• 중간 정도의 냉각(산란도 1~2배 감소)은 실현 가능하며 유익하다. 옵티컬 스트로스틱 또는 결정 냉각 기술이 산란도 추가 제어를 위한 실현 가능한 길잡이가 될 수 있다.