[論文レビュー] A Complete Scheme of Ionization Cooling for a Muon Collider

R.B. Palmer, J. Scott Berg+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2007

Muon and positron interactions and applications被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、1.5、4、および8 TeVの中心座標エネルギーを想定したミューオン衝突機向けに、イオン化冷却の完全でエンドツーエンドのスキームを提示している。この手法は、位相回転、交互に配置された電磁石と吸収体を用いたヘリカル格子における6次元イオン化冷却、RF位相制御によるビームマージング、および最終的な横方向冷却を含み、50 Tの超伝導電磁石で実現される。ICOOLシミュレーションによる検証により、高輝度運転に必要なスクリーニング減少が達成された。

ABSTRACT

A complete scheme for production and cooling a muon beam for three specified muon colliders is presented. Parameters for these muon colliders are given. The scheme starts with the front end of a proposed neutrino factory that yields bunch trains of both muon signs. Emittance exchange cooling in slow helical lattices reduces the longitudinal emittance until it becomes possible to merge the trains into single bunches, one of each sign. Further cooling in all dimensions is applied to the single bunches in further slow helical lattices. Final transverse cooling to the required parameters is achieved in 50 T solenoids using high Tc superconductor at 4 K. Preliminary simulations of each element are presented.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのミューオン衝突機向けに、ミューオンビーム生成、位相操作、冷却を統合した完全で包括的なスキームの開発。
• 初期の高いスクリーニングを持つ急激に崩壊するミューオンに対処し、全6次元位相空間において効率的な冷却を可能にする。
• 1.5–8 TeVの中心座標エネルギーにおける高輝度衝突機運転に必要な横方向および縦方向のスクリーニング減少を達成する。
• ICOOLコードを用いて全段階にわたり詳細なシミュレーションを実施し、冷却チェーンの実現可能性を検証する。
• 高磁場電磁石、液体水素吸収体、平面型ワイグル格子といった先進技術を活用し、システム効率を向上させる。

提案手法

• 20 Tの電磁石で両符号のミューオンを捕獲する、ニュートリノファクトリーに類似したフロントエンドシステムを採用。
• 周波数チューニング可能なRFキャビティを用いた位相回転により、エネルギー分散の大きな1つの高エネルギー分散ミューオンビームを、エネルギー分散が低減された21ビーム列に変換。
• 3 Tおよび6 Tの電磁石、楔形の液体水素吸収体、201/402 MHzのRFキャビティを用いた、ゆっくりとしたヘリカル格子における6次元イオン化冷却を実施。
• 磁場強度と周波数を段階的に増加させる2段階の6次元冷却を実施し、スクリーニングを段階的に低減。実際のコイルおよび磁場モデルを用いたシミュレーションにより性能が確認された。
• 201 MHzおよび5 MHzのRF高調波を用いた2段階の位相回転により、ドリフト領域で複数ビームを1つの高強度ビームに統合。
• 液体水素吸収体を用いた7基の50 T超伝導電磁石で最終的な横方向冷却を実施。低運動量領域における縦方向スクリーニングの増加は、残存値が非常に小さいため許容可能。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.5–8 TeVのミューオン衝突機に必要なレベルまで、完全でマルチステージのイオン化冷却スキームがミューオンビームのスクリーニングを効果的に低減できるか？
• RQ2 RF高調波制御による位相回転とビームマージングは、複数ビームを1つの高強度ビームに統合するために実現可能か？
• RQ3 交互に配置された電磁石と吸収体を有するヘリカル格子における6次元冷却は、ビーム安定性を維持したまま十分なスクリーニング低減を達成できるか？
• RQ4 低運動量領域での縦方向スクリーニング増加を伴うにもかかわらず、50 Tの電磁石における最終的横方向冷却は実現可能か？（低残存縦方向スクリーニングを考慮）
• RQ5 ヘリカル格子幾何構造は円形構造と比較して性能に差があるか？また、両符号のミューオンを同時に冷却できる平面型ワイグル格子に簡素化可能か？

主な発見

• 本スキームは、1.5、4、および8 TeVの全3つの衝突機エネルギーにおいて、必要な横方向スクリーニング25 π mm·mradおよび縦方向スクリーニング72 π mm·radを達成した。
• ICOOLシミュレーションにより、段階#3および#4での効果的な6次元冷却が確認され、実際の磁場およびRF設定を用いたヘリカル格子におけるスクリーニング低減が実現された。
• 2段階の位相回転によるビームマージングにより、21ビームを1つのビームに統合し、1ビームあたり2×10^12個のミューオンを有する高輝度運転が可能となった。
• 50 Tの電磁石における最終冷却により、横方向スクリーニングが必要なレベルまで低減された。低運動量領域における縦方向スクリーニング増加にもかかわらず、シミュレーションで効果的な冷却が示された。
• 段階#8終了後の縦方向スクリーニングは0.12%未満に保たれ、最終冷却および衝突機要件と両立可能であることが確認された。
• 予備的なシミュレーションから、ヘリカル格子幾何構造は円形構造と比較して性能差がほとんどないことが示され、今後の設計においてより単純な平面型ワイグル格子の使用が妥当であることが支持された。