[논문 리뷰] Summary Report of Physics Beyond Colliders at CERN

R. Alemany, Clare Burrage외 62명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 34인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 고에너지 충돌기 이외의 물리적 기회에 대한 종합적인 연구를 제시하며, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐구하기 위해 가속기 기반 및 비가속기 기반 실험의 세트를 제안한다. EDM 링, 감마 팩토리, LHC에 호스팅된 固정대상 실험과 같은 프로젝트들을 제시하여 암흑물질, 아키온 유사 입자, 새로운 대칭성 등을 플랑크 스케일에 도달하는 민감도로 탐색할 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Physics Beyond Colliders is an exploratory study aimed at exploiting the full scientific potential of CERN's accelerator complex and its scientific infrastructure in the next two decades through projects complementary to the LHC, HL-LHC and other possible future colliders. These projects should target fundamental physics questions that are similar in spirit to those addressed by high-energy colliders, but that require different types of beams and experiments. A kick-off workshop held in September 2016 identified a number of areas of interest and working groups have been set-up to study and develop these directions. All projects currently under consideration are presented including physics motivation, a brief outline of the experimental set-up and the status of the corresponding beam and detector technological studies. The proposals are also put in context of the worldwide landscape and their implementation issues are discussed.

연구 동기 및 목표

• LHC와 향후 충돌기 이외의 CERN에서의 보완적 물리 프로그램을 식별하고 개발하여 입자물리학의 근본적인 질문을 다루는 것.
• 비충돌기 및 저에너지 빔 실험을 통해 새로운 물리 현상을 탐색하며, 아키온 유사 입자, 어둠침 전자기, 전기 dipole moment 탐색을 포함하는 것.
• 제안된 프로젝트들이 CERN의 기존 인프라 내에서 실현 가능하고 위치가 확보되는지 평가하며, 특히 EHN2, ECN3 및 LHC와 같은 실험실을 중심으로 분석하는 것.
• 이러한 프로젝트들의 글로벌 맥락을 평가하여 CERN의 능력과 국제 시설 간 비교를 통해 전략적 기회를 식별하는 것.
• 기술 준비도, 빔라인 호환성, 장기적 실험 계획을 포함한 구현 로드맵을 제공하는 것.

제안 방법

• 고강도 뮤온 및 전자 빔을 사용하는 새로운 실험을 위해 기존 PS/SPS 빔라인(예: EHN1, EHN2, ECN3)의 개선을 제안한다.
• 빔 덤프 시설, eSPS(electron beam facility), AWAKE++와 같은 새로운 빔라인을 도입하여 희귀 과정과 은신세계 입자에 대한 고정밀 연구를 가능하게 한다.
• LHC에서 LHC Fixed Target 및 LHC-LLP 실험을 수행함으로써 기존의 양성자 및 이온 빔을 활용해 새로운 물리 현상을 탐색하는 것을 시나리오화한다.
• 전자 및 뮤온의 전기 dipole moment을 통해 CP 위반을 탐색하는 EDM 링과 고에너지 광자 빔을 제공하는 감마 팩토리를 포함한 새로운 시설을 제안한다.
• 우주나 저장된 빔을 이용하는 비가속기 실험인 IAXO, JURA, nuSTORM 등을 고려하여 암흑물질 및 중성자 물리학을 연구한다.
• 빔라인 시뮬레이션, 검출기 R&D, 위치 분석을 통해 CERN의 실험실 전반에서의 기술적 및 운영 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CERN에서 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있는 가장 유망한 비충돌기 및 저에너지 빔 기반 실험은 무엇인가?
• RQ2 기존 CERN 가속기 인프라는 어떻게 재사용되거나 개선되어야 하며, 이로 인해 현재의 LHC 운영에 영향을 주지 않도록 할 수 있는가?
• RQ3 EHN2 및 ECN3와 같은 공용 실험실에서 MUonE, NA64++, COMPASS++와 같은 다수의 실험을 운영하기 위한 기술적 제약과 위치 제약은 무엇인가?
• RQ4 제안된 빔 및 검출기 구성으로 인해, 아키온 유사 입자나 어둠침 전자기와 같은 새로운 물리 현상에 대해 도달할 수 있는 민감도 한계는 무엇인가?
• RQ5 국제 시설과 비교했을 때 제안된 프로젝트들은 물리적 탐색 범위와 기술 준비도 측면에서 어떤가?

주요 결과

• EDM 링 실험은 전자 및 뮤온의 진동 전기 dipole moment을 통해 플랑크 스케일의 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있으며, 특히 초경량 아키온 유사 입자가 어둠침을 구성할 경우 더욱 그렇다.
• eSPS 및 AWAKE++ 프로젝트는 장기적으로 어둠침 전자기 탐색에 강력한 잠재력을 지닌다. 특히 DESY XFEL의 개선과 조합될 경우 더욱 그렇다.
• LHC Fixed Target 및 LHC-LLP 프로그램은 충돌 운영과 공존할 수 있으며, LHCb와 ALICE는 서로 다른 수용성과 데이터율로 서로 다른 물리 신호를 타겟으로 삼는다.
• 빔 덤프 모드에서의 NA62++ 실험은 특히 희귀 케이온 붕괴에 대해 SHiP 검출기 설계에 중요한 통찰을 제공할 수 있다.
• BDF(Beam Dump Facility) 및 SHiP 검출기 설계는 성숙해졌으며, NA62++의 조기 구현을 통해 희귀 붕괴를 위한 장기 시설을 구축할 수 있다.
• 프로톤 EDM 저장 실험을 위한 프로토타입 링은 전체 건설 이전에 필수적이다. 기술 검증을 위한 타당한 위치로 COSY 인프라가 확인되었다.