[論文レビュー] Higgs Factory and 100 TeV Hadron Collider: Opportunity for a New World Laboratory within a Decade

S. Assadi, Chase Collins+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2014

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、キャンセルされたスーパーコンダクティング・スーパー・コリダー（SSC）の旧サイトに、10年間で新規の国際的実験施設を構築するコスト効率の高い計画を提案している。既存の80–100 kmのトンネルを活用し、e⁺e⁻衝突型のヒッグスファクトリーと100 TeV級のハドロン衝突型加速器を設置する。低コストのトンネル工法、4.5 Tの超伝導磁石、およびヒッグスファクトリーのインジェクタをX線自由電子レーザー（XFEL）に再利用することで、10年以内に素粒子物理学および構造生物学分野の前進を実現する。

ABSTRACT

Suggestions have been made for a 80-100 km circumference Future Circular Collider (FCC) that could ultimately contain a circular e+e- ring collider operating as a Higgs Factory as well as a 100 TeV hadron collider. Those suggestions have motivated us to propose an approach in which the project is sited at the location at the SSC tunnel, which has the lowest tunnel cost ever. The low tunnel cost would make it cost-effective to locate the 100 TeV Hadron Collider in a 270 km circumference tunne, using 4.5 Tesla superconducting magnets. The SSC tunnel itself would be used to house the Higgs Factory and the injector for the Hadron Collider. The injector for the Higgs Factory would be also used as a driver for an X-ray Free Electron Laser with unique capabilities for protein crystallography. The location of the project at a location with favorable geotechnology for minimum-cost tunneling, and low-cost/low-risk technology for the SRF and superconducting magnets, open the possibility to build the proposed laboratory within a decade.

研究の動機と目的

• 10年以内に次世代の素粒子物理学実験施設を構築する可能性を検討すること。
• キャンセルされたスーパーコンダクティング・スーパー・コリダー（SSC）から残存する80–100 kmのトンネルを活用してコストを削減すること。
• 4.5 Tの超伝導磁石と低リスク技術を用いて、ヒッグスファクトリーと100 TeV級ハドロン衝突型加速器を実現すること。
• ヒッグスファクトリーのインジェクタをX線自由電子レーザー（XFEL）の駆動源として再利用し、高精度なタンパク質結晶構造解析を可能にすること。
• 素粒子物理学および構造生物学分野において、世界的に利用可能な高影響力の研究施設を確立すること。

提案手法

• キャンセルされたSSCの既存の80–100 kmトンネルを、新しい円形衝突型加速器複合施設に再利用すること。
• 4.5 Tの超伝導磁石を用いて、270 kmの円周を持つ100 TeV級ハドロン衝突型加速器を設計すること。
• 同じトンネル内にe⁺e⁻衝突型加速器（ヒッグスファクトリー）を設置し、ヒッグスボソンの高精度な研究を可能にすること。
• ヒッグスファクトリーのインジェクタを、高繰り返しレートのX線自由電子レーザー（XFEL）の駆動源として利用すること。
• SSCサイトの良好な地質工学的条件を活用し、トンネル工事のコストとリスクを最小限に抑えること。
• 低コスト・低リスクの実装戦略を用いて、SRF（超伝導ラジオ周波数）技術および超伝導磁石技術を統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存インフラを活用することで、コスト効率の高い高エネルギー物理学実験施設を10年以内に建設可能か？
• RQ2 SSCトンネルサイトは、ヒッグスファクトリーと100 TeV級ハドロン衝突型加速器の両方を収容するのに適しているか？
• RQ3 ヒッグスファクトリーのインジェクタを、高性能なX線自由電子レーザー（XFEL）の駆動源として再利用可能か？
• RQ4 270 kmの円周に4.5 Tの超伝導磁石を用いる場合の技術的・経済的利点は何か？
• RQ5 SSCサイトの良好な地質工学的条件は、トンネル工事のコストとプロジェクトリスクをどのように低減できるか？

主な発見

• SSCトンネルサイトは、大規模加速器建設において史上最低水準のトンネルコストを実現し、全体的なプロジェクト費用を顕著に削減できる。
• 4.5 Tの超伝導磁石を用いた低リスク・低コスト技術で、270 kmの円周を持つ100 TeV級ハドロン衝突型加速器を構築可能である。
• ヒッグスファクトリーとインジェクターシステムを同じトンネルに統合することで、ヒッグスボソンの高精度な測定が可能になる。
• ヒッグスファクトリーのインジェクタを再利用して、高繰り返しレートのX線自由電子レーザー（XFEL）を駆動でき、タンパク質結晶構造解析に独自の能力を発揮する。
• 良好な地質工学的条件、既存インフラ、成熟した技術の組み合わせにより、10年間の建設スケジュールが達成可能である。
• 提案された実験施設は、素粒子物理学および構造生物学分野における世界的に利用可能な研究基盤を提供する。