[논문 리뷰] VHEeP: A very high energy electron-proton collider based on proton-driven plasma wakefield acceleration

A. Caldwell, M. Wing|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기존 CERN 인프라를 활용해 3 TeV로 가속된 전자를 7 TeV 프로톤과 충돌시켜 중심질량 에너지 9 TeV의 매우 높은 에너지 전자–프로톤 충돌기를 제안한다. 전자-프로톤 충돌에서 x ~ 10⁻⁸ 수준의 파르톤 운동량 분율을 접근할 수 있으며, 이는 QCD 포화 및 고에너지 광자–프로톤 단면적에 대한 고유한 민감도를 제공한다. 비록 빛의 밀도가 약 ~1 pb⁻¹/년으로 낮지만, 이는 QCD 포화 및 고에너지 광자–프로톤 단면적을 탐색하는 데 유리하다.

ABSTRACT

Based on current CERN infrastructure, an electron-proton collider is proposed at a centre-of-mass energy of about 9 TeV. A 7 TeV LHC bunch is used as the proton driver to create a plasma wakefield which then accelerates electrons to 3 TeV, these then colliding with the other 7 TeV LHC proton beam. The basic parameters of the collider are presented, which although of very high energy, has integrated luminosities of the order of 1 pb$^{-1}$/year. For such a collider, with a centre-of-mass energy 30 times greater than HERA, parton momentum fractions, $x$, down to about $10^{-8}$ are accessible for $Q^2$ of 1 GeV$^2$ and could lead to effects of saturation or some other breakdown of DGLAP being observed. The total photon-proton cross section can be measured up to very high energies and also at different energies as the possibility of varying the electron beam energy is assumed; this could have synergy with cosmic-ray physics. Other physics which can be pursued at such a collider are contact interaction searches, such as quark and electron substructure, and measurements of the proton structure as well as other more conventional measurements of QCD at high energies and in a new kinematic regime. The events at very low $x$ will lead to electrons and the hadronic final state produced at very low angles and so a novel spectrometer device will be needed to measure these. First ideas of the physics programme of such a collider are given.

연구 동기 및 목표

• 기존 CERN 인프라를 활용한 매우 높은 에너지 전자–프로톤 충돌기의 실현 가능성 탐색.
• HERA 및 LHeC보다 훨씬 높은 중심질량 에너지에서 깊은 비탄성산란의 물리적 영향 범위 조사.
• 극히 낮은 파르톤 운동량 분율(x ~ 10⁻⁸)에 대한 접근을 통해 QCD 포화 효과 관측 가능성 평가.
• l ~ 3×10⁸ fm까지의 협동 길이에서 광자–프로톤 단면적 측정을 가능하게 하여 포화의 시작을 탐색.
• 매우 작은 각도에서 전자 및 하드론을 포함한 낮은 x 최종 상태를 측정할 수 있는 검출기 개념 설계.

제안 방법

• 7 TeV LHC 프로톤 빔을 플라즈마 매질에서 웨이브필드를 자극하기 위한 드라이버로 사용.
• 플라즈마 웨이브필드 가속을 통해 4 km 거리에서 전자 위저니스 빔을 3 TeV로 가속시키며, 기울기 약 ~100 GV/m에 도달.
• 전자 빔 에너지를 조절 가능하다는 가정 하에 고에너지 과정의 에너지 해상도 측정 가능.
• 가속된 전자 빔이 LHC의 손상되지 않은 7 TeV 프로톤 빔과 충돌하는 충돌기 구성 제안.
• 매우 낮은 x에서의 전자 및 하드론을 측정하기 위해 중심 충돌 검출기와 긴 스펙트로미터 암을 갖춘 새로운 검출기 시스템 설계.
• x, Q², y의 운동학적 분포를 시뮬레이션하기 위해 Ariadne 몬테카를로 생성기 사용. x ~ 10⁻⁸까지의 외삽 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 LHC 인프라를 활용해 7 TeV 프로톤 빔을 드라이버로 사용해 4 km 거리에서 전자를 3 TeV로 가속시킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 충돌기가 Q² > 1 GeV² 조건에서 x ~ 10⁻⁸ 수준까지 파르톤 운동량 분율을 탐색할 수 있는가?
• RQ3 VHEeP 충돌기가 협동 길이 l > 10⁶ fm에서 광자–프로톤 단면적을 측정하여 포화의 시작을 나타내는가?
• RQ4 VHEeP의 운동학적 커버리지가 x 및 Q² 영역에서 HERA 및 LHeC와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 고에너지, 저x 과정으로 인해 매우 낮은 각도에서 생성된 최종 상태를 측정하기 위해 필요한 검출기 구성은 무엇인가?

주요 결과

• VHEeP 충돌기는 3 TeV 전자와 7 TeV 프로톤을 충돌시켜 중심질량 에너지를 약 9 TeV로 달성하며, Q² > 1 GeV² 조건에서 x ~ 10⁻⁸ 수준까지 파르톤 운동량 분율에 접근 가능하다.
• 통합 빛의 밀도는 약 ~1 pb⁻¹/년으로 추정되며, 빔 주파수는 2 Hz, 한 빔당 프로톤 수는 4×10¹¹, 전자 수는 1×10¹¹이다.
• 운동학적 시뮬레이션 결과 x와 Q² 사이에 강한 상관관계가 나타나며, 분포는 낮은 x, Q², y에서 피크를 이룬다. Q² > 1 GeV² 조건에서 x ~ 10⁻⁸까지 연장된다.
• 협동 길이 l에 따른 광자–프로톤 단면적의 외삽 결과, VHEeP는 l ~ 3×10⁸ fm(x ~ 3.5×10⁻¹⁰)까지 탐색 가능하며, 이는 포화 효과가 나타날 수 있는 영역에 가까이 접근함을 시사한다.
• 검출기 설계는 중심 충돌 검출기와 매우 긴 스펙트로미터 암을 필요로 하며, 특히 x < 10⁻⁶ 조건에서 산산이 흩어진 전자 및 하드론 최종 상태를 측정하기 위함이다.
• Q² < 1 GeV² 영역에서의 측정는 광자–프로톤 단면적의 보편적 행동의 시작을 제약하기 위해 필수적이며, 낮은 빛의 밀도에도 불구하고 1–10 GeV² 범위에서 상당한 데이터가 기대된다.