[論文レビュー] Low emittance pion beams generation from bright photons and relativistic protons

L. Serafini, C. Curatolo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHC や FCC の高エネルギー陽子ビームと超高輝度 X線自由電子レーザー (XFEL) を用い、相対論的ローレンツブーストフレームで光子誘発π中間子生成を介して低発散度のπ中間子ビームを生成する、新規なハイブリッド陽子-光子衝突装置 (HPC) を提案する。この手法により、横方向発散度が 4–8 mm·mrad で、前方150 μrad未満の角度に収束する高輝度のミューオンおよびニュートリノビームが得られ、将来的な衝突機応用に適している。

ABSTRACT

Present availability of high brilliance photon beams as those produced by X-ray Free Electron Lasers in combination with intense TeV proton beams typical of the Large Hadron Collider makes it possible to conceive the generation of pion beams via photo-production in a highly relativistic Lorentz boosted frame: the main advantage is the low emittance attainable and a TeV-class energy for the generated pions, that may be an interesting option for the production of low emittance muon and neutrino beams. We will describe the kinematics of the two classes of dominant events, i.e. the pion photo-production and the electron/positron pair production, neglecting other small cross-section possible events like Compton and muon pair production. Based on the phase space distributions of the pion and muon beams we will analyze the pion beam brightness achievable in three examples, based on advanced high efficiency high repetition rate FELs coupled to LHC or Future Circular Collider (FCC) proton beams, together with the study of a possible small scale demonstrator based on a Compton Source coupled to a Super Proton Synchrotron (SPS) proton beam.

研究の動機と目的

• 従来の固体標的に陽子照射によって生成される高発散度のπ中間子ビームが、将来のミューオン衝突機におけるビーム品質を制限するという課題に対処すること。
• 現代の高輝度 XFEL と LHC や FCC の高エネルギー・高強度陽子ビームを活用し、相対論的ローレンツブーストフレームで効率的なπ中間子生成を可能とすること。
• 陽子-光子衝突を介して生成されるπ中間子ビームが、極めて低い横方向発散度と高いコヒーレンスを達成できることを示し、高輝度の二次ビームを可能とすること。
• 高品質なπ中間子の崩壊を活用して低発散度のミューオンおよびニュートリノビームを生成する可能性を検討すること。
• コンプトン光源と SPS 陽子ビームを用いた小規模なデモンストレータを提案し、HPC 概念の概念実証としての可能性を検討すること。

提案手法

• LHC における7 TeV、FCC における50 TeV の相対論的陽子ビームと、超高輝度・高繰り返し周波数のX線 FEL 光子（3–20 keV、1パルスあたり 10¹³ 個以上）を反対方向に衝突させ、反応 p + hν → π⁺ + n を介してπ中間子の光子誘発生成を誘発する。
• 陽子の静止系がローレンツブーストされることにより、低エネルギーの光子が高エネルギー光子（最大数GeV相当）として見えるようになり、実験フレームの光子エネルギーが低くても、閾値を超えた効率的なπ中間子生成が可能になる。
• FEL スケーリング則とシミュレーションを用いて光子フラックスと輝度を推定し、衝突点でのフルエンスを最大化するため、スポットサイズを約10 μm に制御する。
• 相対論的運動論と断面積データ（例：300 MeV 当量エネルギーにおけるπ中間子光子生成断面積 σ ≈ 220 μbarn）を用いて、二次粒子（π中間子、ミューオン、e⁺e⁻ 対）の位相空間分布をモデル化する。
• 二次的相互作用を検討し、陽子-光子衝突から生成される e⁺e⁻ 対がさらに FEL 光子と相互作用して、反応 e⁺e⁻ + hν → e⁺e⁻ + μ⁺μ⁻ を介しミューオン対を生成する可能性を評価。断面積は約 30 nbarn である。
• ブーストフレームにおける二次ビームの発散角と発散度を分析することで、ビームの輝度とコヒーレンスを評価。高エネルギービームでは発散角が約10 μrad まで低下する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高輝度・高繰り返し周波数のXFELとTeVクラスの陽子ビームを組み合わせることで、従来の固体標的法に比べて著しく低い発散度のπ中間子ビームを生成できるか？
• RQ2 相対論的陽子のローレンツブーストフレームが、効果的な光子エネルギーを向上させ、結果としてπ中間子光子生成の効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 このような陽子-光子衝突装置において、生成されたπ中間子ビームの実現可能な横方向発散度と角度発散はどの程度か？
• RQ4 π中間子ビームの高いコヒーレンスと低発散度が、π中間子崩壊を介した高輝度ミューオンおよびニュートリノビームの生成を可能にするか？
• RQ5 二次的 e⁺e⁻ 対と FEL 光子の相互作用による連鎖的ミューオン対生成の可能性は何か？ また、直接的π中間子生成と比較してその効率はどの程度か？

主な発見

• HPC 構成では、π中間子光子生成断面積が低く（約220 μbarn）ても、FELビームの高輝度が相殺され、10³⁸ cm⁻²s⁻¹ を超えるランクスを達成する。
• LHC を基盤とするHPCでは、π中間子ビームの横方向発散度が 4–8 mm·mrad であり、前方150 μrad 未満の角度に収束する。
• FCC を基盤とするHPCでは、陽子エネルギーが高いため（50 TeV）、π中間子ビームの発散角がさらに小さくなり、10 μrad 未満にまで低下する。
• LHC 案ではπ中間子ビームエネルギーが最大2.5 TeV、FCC 案では19.1 TeV に達し、ミューオンおよびニュートリノビーム生成に適した高エネルギー二次ビームが得られる。
• π中間子崩壊により生成されるミューオンは、親π中間子の低発散度と高コヒーレンスを引き継ぎ、発散角が数十μrad程度に抑えられ、ミューオン衝突機応用に最適である。
• 二次的 e⁺e⁻ 対と FEL 光子の相互作用による連鎖的ミューオン対生成では、1秒あたり最大約5対のミューオン生成が可能であり、非常に高い前方コヒーレンス（約0.3 μrad）を示す。これは、低発生率であるものの、高輝度ビーム生成の可能性を示唆している。