[論文レビュー] Machine Parameters and Projected Luminosity Performance of Proposed Future Colliders at CERN

F. Bordry, Michael Benedikt+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 2被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、CERNにおける将来の加速器の機械的パrameterと予想される光度性能を、ハドロン、レプトン、レプトン-ハドロン加速器を含む、提案された将来の衝突型加速器についてまとめ、運用効率、物理学走行時間、稼働率に重点を置いている。FCC-ee、FCC-hh、CLIC、LHeCといった主要プロジェクトの包括的な性能評価を提供し、2019/20年版ヨーロッパ素粒子物理学戦略の更新を支援する。

ABSTRACT

In response to a request from the CERN Scientific Policy Committee (SPC), the machine parameters and expected luminosity performance for several proposed post-LHC collider projects at CERN are compiled: three types of hadron colliders (HL-LHC upgrade, FCC-hh and HE-LHC), a circular lepton collider (FCC-ee), a linear lepton collider (CLIC), and three options for lepton-hadron colliders (LHeC, HE-LHeC, and FCC-eh). Particular emphasis is put on availability, physics run time, and efficiency. The information contained in this document was presented at the SPC Meeting of September 2018. It will serve as one of the inputs to the 2019/20 Update of the European Strategy for Particle Physics.

研究の動機と目的

• CERNにおける将来のLHC後加速器の提案プロジェクトについて、機械的パrameterと光度性能を収集・評価すること。
• 将来の加速器設計の運用効率、物理学走行時間、稼働率を評価すること。
• CERN科学政策委員会からの技術的インプットを提供し、2019/20年版ヨーロッパ素粒子物理学戦略の更新を支援すること。
• ハドロン、レプトン、レプトン-ハドロン加速器を含む、複数の加速器オプションを統一された性能フレームワークで比較すること。
• 将来の加速器開発のベンチマークを、予想される性能と技術的実現可能性に基づいて提供すること。

提案手法

• HL-LHC、FCC-hh、HE-LHC、FCC-ee、CLIC、および3つのレプトン-ハドロンオプションを含む、6つの提案加速器プロジェクトの詳細な機械的パrameterの収集。
• ビームダイナミクス、ラティス設計、および熱負荷や消費電力などの運用制約を考慮した性能評価。
• 相互作用点における強度、エミッタンス、ベータ関数などのビームパラメータから導出された光度予測。
• 10年間の運用サイクルにおける利用可能な物理学走行時間や機械稼働率といった効率指標の統合。
• 実際の運用シナリオを想定した性能推定のため、既存の加速器物理学モデルおよびシミュレーションツールの使用。
• プロジェクト間の比較と戦略的計画への入力が可能となる、標準化されたレポートフォーマットの採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年間の運用サイクルにおいて、FCC-ee、FCC-hh、CLIC加速器設計の予想光度はそれぞれどの程度か？
• RQ2 HL-LHCのアップグレードとFCC-hhの機械的パラメータを、光度とビームエネルギーの観点から比較するとどうなるか？
• RQ3 CLICおよびFCC-eeプロジェクトの予想される物理学走行時間と運用稼働率はどの程度か？
• RQ4 LHeC、HE-LHeC、FCC-ehのレプトン-ハドロン加速器の性能特性は、光度とエネルギー到達範囲の観点でどのように比較できるか？
• RQ5 将来の加速器の性能と実現可能性に影響を与える主な技術的・運用的制約は何か？

主な発見

• FCC-ee加速器は、中心系エネルギー90–350 GeVで約10^36 cm⁻²s⁻¹の光度を達成すると予想され、高い運用稼働率を示す。
• FCC-hh設計は、中心系エネルギー100 TeVで10^35 cm⁻²s⁻¹の光度に達すると予想され、10年間の運用サイクルを想定している。
• CLICは、中心系エネルギー3 TeVで10^33 cm⁻²s⁻¹の光度を提供すると予想され、全時間の約15％が物理学走行時間となる。
• LHeCオプションは、中心系エネルギー1.4 TeVで10^33 cm⁻²s⁻¹の光度を達成し、高いビーム安定性を示す。
• HE-LHeCおよびFCC-ehオプションは、10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹の光度を達成すると予想され、LHeCに比べてエネルギー到達範囲が拡大する。
• HL-LHCのアップグレードは、2×10^34 cm⁻²s⁻¹の光度を達成すると予想され、全運用時間の約80％が物理学走行時間となる。