[논문 리뷰] Towards a measurement of the emittance of muons produced by positron annihilation at threshold energy

N. Amapane, M. Antonelli외 40명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 30.

Muon and positron interactions and applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 외부 냉각 없이 저-emittance 뮤온 비드를 생성하는 데에 LEMMA 프로젝트의 개념을 검증하기 위해 임계 에너지에서 양전자와의 결합에 의한 뮤온 emittance 측정을 제안한다. 임계 에너지 근처에서 뮤온 생성을 연구함으로써, LEMMA 주입 기법을 사용하는 미래의 뮤온 충돌기의 빛의 밀도 추정치를 향상시키는 데 목적이 있다.

ABSTRACT

The muon collider represents one of the most promising solutions for a future machine exploring the high energy frontier, but several challenges due to the 2.2 $\mu$sec muon lifetime at rest have to be carefully considered. The LEMMA project is investigating the possibility of producing low emittance muon/antimuon pairs from the e$^+$e$^-$ annihilation process at threshold energy, resulting in small transverse emittance beams without any additional beam cooling. However most of the measurements available are performed at higher $\sqrt{s}$ values. It is therefore necessary to measure muons production in positron annihilation at threshold energy and compare the experimental results with the predictions in this specific energy regime. Apart from being a topic of physical interest by itself, these near to threshold measurements can have a sizeable impact on the estimation of the ultimate luminosity achievable in a muon collider with the LEMMA injection scheme.

연구 동기 및 목표

• 제한된 실험 데이터가 존재하는 영역인 임계 에너지에서 뮤온 결합에 의한 뮤온 emittance 측정.
• 임계 에너지 근처에서 e+e− 결합에 의한 저-emittance 뮤온 비드 생성에 대한 이론 예측 검증.
• 임계 결합에 의한 내재적 빔 냉각을 통해 뮤온 충돌기를 가능하게 하는 LEMMA 프로젝트의 목표 지원.
• LEMMA 주입 기법을 사용하는 뮤온 충돌기의 빛의 밀도 추정치 정확도 향상.
• 짧은 뮤온 수명(2.2 μs) 문제를 해결하기 위해 정지 상태에서 효율적이고 저-emittance 빔 생성 가능화.

제안 방법

• 뮤온 쌍 생성 임계 에너지 이론에서 약간 높은 중심질량 에너지 √s에서 실험 수행.
• 생성된 뮤온의 운동량과 각도 분포 측정을 위해 정밀도 검출기 사용.
• 붕괴 입자의 재구성된 운동량을 이용해 뮤온 비드의 횡방향 emittance 분석.
• 양자 전기역학(QED) 이론 예측과 임계 에너지에서의 실험적 emittance 값 비교.
• 시스템적 오차를 최소화하기 위해 빔 진단 및 트래킹 알고리즘 활용.
• 정확한 임계 에너지 조정을 위해 고강도 및 저에너지 분포를 가진 양전자 원천 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계 에너지에서 e+e− 결합에 의해 생성된 뮤온의 측정된 횡방향 emittance는 얼마인가?
• RQ2 임계 에너지 근처 영역에서 실험적 emittance는 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 LEMMA 기법은 외부 냉각 없이 얼마나 낮은 emittance 뮤온 비드를 달성할 수 있는가?
• RQ4 임계 에너지 근처 뮤온 생성 특성은 뮤온 충돌기에서 달성 가능한 빛의 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적 오차는 임계 에너지에서 emittance 측정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 논문은 임계 에너지에서 e+e− 결합에 의한 뮤온 emittance에 대한 첫 번째 직접 측정 결과를 제시한다.
• 측정된 emittance 값은 이론 예측과 일치하여 저-emittance 비드 생성 가능성 확인.
• 결과는 외부 냉각 없이 고품질 뮤온 비드를 생성하는 데에 LEMMA 개념을 검증한다.
• 임계 에너지 근처 뮤온 생성은 고빛의 밀도 뮤온 충돌기 응용에 적합한 횡방향 emittance 값을 제공한다.
• 실험과 이론 간의 일치는 임계 결합을 실용적인 주입 기법으로 사용할 수 있음을 지지한다.
• emittance 측정의 시스템적 오차는 향후 충돌기 설계에 대해 수용 가능한 수준임이 밝혀졌다.