[论文解读] ACE Science Workshop Report

Stefania Gori, Nhan Viet Tran+21 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2024

Particle Detector Development and Performance被引用 2

一句话总结

ACE科学研讨会报告提出了费米实验室加速器综合体的两阶段升级计划——ACE-MIRT与ACE-BR，旨在支持下一代μ子物理、中微子物理、带电轻子味破坏以及暗物质领域的实验。报告明确了关键的加速器研发需求，包括高强度束流产生、靶体技术开发以及μ子冷却技术，目标是支持多兆瓦级束流运行，并推动美国在强子对撞前沿的粒子物理发展。

ABSTRACT

We summarize the Fermilab Accelerator Complex Evolution (ACE) Science Workshop, held on June 14-15, 2023. The workshop presented the strategy for the ACE program in two phases: ACE Main Injector Ramp and Target (MIRT) upgrade and ACE Booster Replacement (BR) upgrade. Four plenary sessions covered the primary experimental physics thrusts: Muon Collider, Neutrinos, Charged Lepton Flavor Violation, and Dark Sectors. Additional physics and technology ideas were presented from the community that could expand or augment the ACE science program. Given the physics framing, a parallel session at the workshop was dedicated to discussing priorities for accelerator R\&D. Finally, physics discussion sessions concluded the workshop where experts from the different experimental physics thrusts were brought together to begin understanding the synergies between the different physics drivers and technologies. In December of 2023, the P5 report was released setting the physics priorities for the field in the next decade and beyond, and identified ACE as an important component of the future US accelerator-based program. Given the presentations and discussions at the ACE Science Workshop and the findings of the P5 report, we lay out the topics for study to determine the physics priorities and design goals of the Fermilab ACE project in the near-term.

研究动机与目标

• 为费米实验室加速器综合体演进（ACE）计划制定战略路线图，以支持下一代粒子物理研究。
• 识别并优先排序高强束流实验所需的加速器与探测器研发需求。
• 评估主要物理驱动力之间的协同效应：μ子对撞机、中微子物理、带电轻子味破坏以及暗物质搜寻。
• 确保ACE计划支持P5报告中关于美国强度前沿的愿景，包括2兆瓦以上的束流功率和长期可靠性。
• 指导未来设施的设计，如μ子冷却演示装置、质子储存环以及靶体演示装置。

提出的方法

• 提出两阶段ACE升级方案：ACE-MIRT（主注入器加速与靶体）用于早期实现2兆瓦束流输送至DUNE，ACE-BR（ Booster替换）用于实现完整的2.4+兆瓦束流功率。
• 概述加速器构型，包括0.8 GeV储存环、8 GeV直线加速器以及2 GeV直线加速器，以支持多样化的物理计划。
• 强调在高梯度射频腔、超导射频技术、金属化陶瓷束流管道以及抗辐射材料方面的研发。
• 建议在较低束流功率（如200–400 kW）下分阶段建设靶体演示装置，以在全面升级前测试μ子产生与束流终止物理。
• 提出PIP-II储存环（PAR）的初步设计，以提升束流可用性并支持早期物理计划。
• 识别μ子冷却演示装置为关键的研发里程碑，目标是在五年内完成概念设计与原型制造。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对费米实验室加速器综合体进行升级，以实现为DUNE和未来实验提供多兆瓦质子束流？
• RQ2 为实现高强μ子与中微子束流以支持精密测量与新物理发现，关键的加速器研发优先事项是什么？
• RQ3 如何通过共享基础设施与束流线，最大化μ子对撞机、CLFV、中微子与暗物质实验之间的协同效应？
• RQ4 未来质子驱动器设施（包括储存环与直线加速器）的最优构型是什么，以支持多个物理计划？
• RQ5 在高剂量、高重复率束流运行条件下，关键的材料与靶体挑战是什么，以及如何缓解？

主要发现

• ACE-MIRT旨在缩短主注入器加速时间，目标在约2033年实现向DUNE输送高达2.1兆瓦的束流，最终目标为2.4兆瓦。
• ACE-BR升级将取代费米实验室Booster，实现完整的2.4+兆瓦束流功率，并支持下一代实验。
• 0.8 GeV储存环被认定为高影响力升级，可显著提升束流终止与CLFV物理的探测能力。
• PIP-II储存环（PAR）提案正在开发中，旨在支持早期束流调试与100 kW低占空因子质子计划。
• μ子冷却演示装置的研发被列为优先事项，目标是在五年内完成概念设计与原型制造。
• 靶体技术研发对高剂量运行至关重要，重点聚焦于辐照材料与适用于μ子及暗物质实验的先进靶体概念。