[논문 리뷰] The Large Hadron-Electron Collider at the HL-LHC

O. Brüning, M. Klein|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 13.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 53인용 수 39

한 줄 요약

LHeC는 에너지 복원 라인형 가속기(ERL) 기술을 사용하여 강한 전자 빔을 고강도의 HL-LHC 수소 또는 이온 빔과 충돌시켜, 높은 해상도의 깊은 비탄성 산란 운동역학에 대한 새로운 접근을 가능하게 한다. 이는 QCD, 구조입자, 힉스 보존 및 새로운 물리 연구를 향상시키며, 높은 루미노시티, 청소년적인 최종 상태, ERL 및 검출기의 상세 설계(프로토타입 시설 PERLE 포함)와 함께 향후 FCC-eh 업그레이드를 위한 기반을 마련한다.

ABSTRACT

The Large Hadron electron Collider (LHeC) is designed to move the field of deep inelastic scattering (DIS) to the energy and intensity frontier of particle physics. Exploiting energy recovery technology, it collides a novel, intense electron beam with a proton or ion beam from the High Luminosity--Large Hadron Collider (HL-LHC). The accelerator and interaction region are designed for concurrent electron-proton and proton-proton operation. This report represents an update of the Conceptual Design Report (CDR) of the LHeC, published in 2012. It comprises new results on parton structure of the proton and heavier nuclei, QCD dynamics, electroweak and top-quark physics. It is shown how the LHeC will open a new chapter of nuclear particle physics in extending the accessible kinematic range in lepton-nucleus scattering by several orders of magnitude. Due to enhanced luminosity, large energy and the cleanliness of the hadronic final states, the LHeC has a strong Higgs physics programme and its own discovery potential for new physics. Building on the 2012 CDR, the report represents a detailed updated design of the energy recovery electron linac (ERL) including new lattice, magnet, superconducting radio frequency technology and further components. Challenges of energy recovery are described and the lower energy, high current, 3-turn ERL facility, PERLE at Orsay, is presented which uses the LHeC characteristics serving as a development facility for the design and operation of the LHeC. An updated detector design is presented corresponding to the acceptance, resolution and calibration goals which arise from the Higgs and parton density function physics programmes. The paper also presents novel results on the Future Circular Collider in electron-hadron mode, FCC-eh, which utilises the same ERL technology to further extend the reach of DIS to even higher centre-of-mass energies.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC의 수소 또는 이온 빔과 고강도 전자 빔을 충돌시켜 깊은 비탄성 산란의 에너지 및 강도의 최전선으로 확장한다.
• 운동역학 범위의 여러 온도에 걸쳐 수소 및 무거운 핵에서의 구조입자 구조를 정밀 측정할 수 있도록 한다.
• 정밀한 힉스 물리학 및 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상 탐색을 위한 고루미노시티, 청결한 탐사 환경을 제공한다.
• 오르세의 프로토타입 시설(PERLE)을 통해 에너지 복원 라인형 가속기(ERL) 기술을 발전시켜 LHeC 설계의 핵심 구성 요소를 검증한다.
• 더 높은 중심질량 에너지를 얻기 위해 동일한 ERL 기술을 사용하는 향후 FCC-eh 충돌기의 기초를 마련한다.

제안 방법

• 에너지 복원 라인형(ERL) 기술을 사용하여 에너지 손실을 최소화하면서도 고강도, 고에너지 전자 빔을 생성한다.
• 공통 가속기 복합체 내에서 전자 빔을 HL-LHC의 수소 또는 이온 빔과 통합하여 전자-양성자 및 양성자-양성자 동시 운영을 가능하게 한다.
• 고품질 빔과 높은 루미노시티를 달성하기 위해 고급 초전도형 라디오파장 캐비티와 최적화된 자기 라티스 설계를 적용한다.
• 오르세에 위치한 3턴, 고전류, 저에너지 ERL 시설(PERLE)을 프로토타입으로 활용하여 LHeC 시스템의 검증을 수행한다.
• 히iggs 및 구조입자 밀도 함수 물리 목표에 맞게 고수용성, 고해상도, 고정도 캘리브레이션 성능을 갖춘 새로운 검출기 설계를 수행한다.
• 향후 FCC-eh 충돌기를 위해 동일한 ERL 기술을 적용하여 깊은 비탄성 산란의 연구 범위를 더 높은 에너지로 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 ERL 기반 전자 빔을 사용하여 깊은 비탄성 산란의 중심질량 에너지와 루미노시티를 높일 수 있는가?
• RQ2 LHeC의 향상된 운동역학적 범위로 수소 및 무거운 핵에서의 구조입자 밀도 함수 측정에 어떤 향상이 가능할 수 있는가?
• RQ3 LHeC는 청결한 하드론 최종 상태를 통해 QCD 역학과 전자기상호작용을 얼마나 정밀하게 탐구할 수 있는가?
• RQ4 LHeC는 새로운 물리 현상 탐색과 정밀한 힉스 측정에 있어 상당한 발견 잠재력을 갖출 수 있는가?
• RQ5 프로토타입 ERL 시설(PERLE)은 전체 규모의 LHeC 전자 가속기 설계와 운영을 얼마나 잘 검증할 수 있는가?

주요 결과

• LHeC 설계는 이전 실험보다 수개의 온도 높은 깊은 비탄성 산란 운동역학적 영역에 접근할 수 있다.
• 에너지 복원 라인형(ERL) 설계는 최신 라티스, 자기장, 초전도형 라디오파장 구성 요소를 포함하여 고품질 빔과 효율성을 보장한다.
• 오르세에 위치한 PERLE 시설은 LHeC의 프로토타입으로서 저에너지 및 고전류 조건에서 핵심 ERL 기술을 입증한다.
• 업데이트된 검출기 설계는 힉스 및 구조입자 구조 물리 연구 프로그램을 지원하기 위해 수용성, 해상도, 캘리브레이션 요구사항을 충족한다.
• 고루미노시티와 청결한 최종 상태 덕분에 LHeC는 새로운 물리 현상 탐색과 정밀한 힉스 물리 연구에 강력한 발견 잠재력을 지닌다.
• 동일한 ERL 기술은 향후 FCC-eh 충돌기로 응용되어 깊은 비탄성 산란의 연구 범위를 더 높은 중심질량 에너지로 확장할 수 있다.