[论文解读] A Long-Baseline Atom Interferometer at CERN: Conceptual Feasibility Study

G. Arduini, L. Badurina+20 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 9

一句话总结

论文评估了在CERN ~100 m竖直原子干涉仪（AI）在PX46 LHC通道用于超轻暗物质和引力波搜索的概念可行性，包括基础设施、安全和成本方面的考量。

ABSTRACT

We present results from exploratory studies, supported by the Physics Beyond Colliders (PBC) Study Group, of the suitability of a CERN site and its infrastructure for hosting a vertical atom interferometer (AI) with a baseline of about 100 m. We first review the scientific motivations for such an experiment to search for ultralight dark matter and measure gravitational waves, and then outline the general technical requirements for such an atom interferometer, using the AION-100 project as an example. We present a possible CERN site in the PX46 access shaft to the Large Hadron Collider (LHC), including the motivations for this choice and a description of its infrastructure. We then assess its compliance with the technical requirements of such an experiment and what upgrades may be needed. We analyse issues related to the proximity of the LHC machine and its ancillary hardware and present a preliminary safety analysis and the required mitigation measures and infrastructure modifications. In conclusion, we identify primary cost drivers and describe constraints on the experimental installation and operation schedules arising from LHC operation. We find no technical obstacles: the CERN site is a very promising location for an AI experiment with a vertical baseline of about 100 m.

研究动机与目标

• 通过原子干涉测量（AI）推动对超轻暗物质和引力波的搜索的动机。
• 评估CERN及PX46通道用于容纳 ~100 m AI（AION-100）的适宜性并概述所需的基础设施升级。
• 识别与将AI与LHC运行整合相关的环境、安全与安全法规方面的考虑。
• 提供在CERN安装和运行100 m AI的初步成本驱动因素和时间表约束。

提出的方法

• 回顾在ULDM和GW背景下AI的科学动机。
• 以AION-100为参考，概述100 m竖直AI的一般技术要求。
• 提出CERN PX46现场并描述其基础设施、局限性和必要升级。
• 进行初步的安全与辐射防护评估，并提出缓解措施与设计变更。
• 估算与LHC运行和AI安装相关的主要成本驱动因素与时间表约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 PX46筒道中是否可在不妨碍LHC运行的前提下容纳 ~100 m竖直原子干涉仪？
• RQ2 在PX46建立100 m AI的主要技术、环境与安全要求是什么，需要哪些升级？
• RQ3 在CERN安装和运行AI的主要成本驱动因素与时间表约束是什么？
• RQ4 在PX46建立的100 m AI对ULDM耦合与引力波的科学潜力如何？

主要发现

• PX46被识别为CERN中一个有前景的 ~100 m竖直AI场地，未显示技术性障碍。
• 初步的安全与缓解措施表明可行的整合，包括辐射防护屏蔽和在合理成本规模内的撤离系统。
• 初步的基础设施成本驱动因素估计为辐射防护屏蔽墙和快速撤离系统，相对于探测器本体而言规模较小。
• 振动、地震与重力梯度噪声分析表明该地点与AI的要求兼容，建议进行环境监测和屏蔽来管理噪声，并考虑磁屏蔽与射频屏蔽。