[論文レビュー] A Muon Collider Facility for Physics Discovery

Diktys Stratakis, N. Mokhov+67 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー物理学の次世代施設として、3 TeVのミューオン衝突機の構想を提示している。ミューオン冷却、加速、ビームダイナミクスの高度な技術を活用することで、標準模型を超える新しい物理を、前例のない精度で探査可能となる。既存の研究開発（MICEおよびMuCoolを含む）を通じて実現可能性を示し、2045年までに国際的協力を通じて建設への明確な道筋を示している。

ABSTRACT

Muon colliders provide a unique route to deliver high energy collisions that enable discovery searches and precision measurements to extend our understanding of the fundamental laws of physics. The muon collider design aims to deliver physics reach at the highest energies with costs, power consumption and on a time scale that may prove favorable relative to other proposed facilities. In this context, a new international collaboration has formed to further extend the design concepts and performance studies of such a machine. This effort is focused on delivering the elements of a $\sim$10 TeV center of mass (CM) energy design to explore the physics energy frontier. The path to such a machine may pass through lower energy options. Currently a 3 TeV CM stage is considered. Other energy stages could also be explored, e.g. an s-channel Higgs Factory operating at 125 GeV CM. We describe the status of the R&D and design effort towards such a machine and lay out a plan to bring these concepts to maturity as a tool for the high energy physics community.

研究の動機と目的

• 3 TeVミューオン衝突機を今後のエネルギー・フロンティア施設として、世界的なロードマップを策定すること。
• ミューオン生成、冷却、加速における主要な技術的課題を特定し、それらに取り組むこと。
• MICE、EMMA、MuCool RFプログラムなどの既存および計画中の研究開発プログラムを通じて、実現可能性を示すこと。
• NuSTORMおよびENUBETなどのニュートリノ施設と共有インfraストラクチャを活用し、ニュートリノ断面積の高精度測定および標準模型を超える物理の探索を可能にすること。
• CLICなど他のエネルギー・フロンティア衝突機と比較して、コスト、消費電力、スケジュールの面で優位性を確保するため、革新的な加速器概念と技術の活用を図ること。

提案手法

• スパラレーション・ターゲットを用いて、高出力プロトンビームからパイオニウムおよびミューオンを生成する。LBNFおよびT2HKの経験を活用する。
• MICEおよびPSI実験で検証済みの、イオン化冷却および摩擦冷却技術を用いた6次元ミューオン冷却を実装する。
• 高勾配RFキャビティと超伝導磁石を用いて、ミューオンの効率的加速を実現する。
• FFA（固定磁場交互勾配加速器）を用いて、低エネルギー加速段階を効率的に実現する。
• 3 TeVの衝突エネルギーを実現する施設を設計し、エネルギー・フロンティアにおける高インテンシティ実験を可能にする。
• ニュートリノ施設（例：NuSTORM、ENUBET）とインフラを共有し、ビームラインおよび冷却実証実験を共同で実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および近い将来の研究開発を踏まえると、2045年までに3 TeVミューオン衝突機を建設可能か？
• RQ2 ミューオン冷却、加速、ビーム安定性における重要な技術的課題は何か？
• RQ3 スパラレーション中性子源およびニュートリノ施設からの既存加速器技術を、ミューオン衝突機システムにどのように適合できるか？
• RQ4 他のエネルギー・フロンティア選択肢と比較して、ミューオン衝突機の性能、コスト、消費電力の特性は何か？
• RQ5 ニュートリノ物理学施設とインフラを共有することで、総合コストを削減し、開発を加速できるか？

主な発見

• ミューオン衝突機の概念に根本的な障害は同定されず、2045年までの建設が可能であると支持される。
• MICE実験は6次元イオン化冷却を成功裏に実証し、ミューオン衝突機設計の核となる要素を検証した。
• MuCool RFプログラムは、効率的ミューオン加速に不可欠な高勾配RFキャビティを実証した。
• FFAベースの加速方式は、高い繰り返しレートと低消費電力の利点から、低エネルギー段階に有望である。
• 高出力プロトン加速器（例：SNS、J-PARC、ESS）は、ミューオン生成ターゲットおよびビームハンドリングの技術的基盤を提供する。
• NuSTORMおよびENUBETとインフラを共有することで、ミューオン冷却実証とニュートリノ物理学の共同配置が可能となり、コスト削減とR&Dの加速が実現した。