[論文レビュー] Main Parameters of LCxFCC Based Electron-Proton Colliders

Yiğit Acar, Ü. Kaya+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、将来のCircular Collider (FCC) および線形衝突機 (LC) を基盤として、ビーム-ビーム効果を考慮したうえで全 luminosity を最適化する多TeV級電子-陽子衝突機の構想を提示する。$L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ が中程度のFCC陽子ビームのアップグレードで達成可能であることを示し、標準模型を越える物理的探査能力が著しく向上することを示している。

ABSTRACT

Multi-TeV center of mass energy ep colliders based on the Future Circular Collider (FCC) and linear colliders (LC) are proposed and corresponding luminosity values are estimated. Parameters of upgraded versions of the FCC are determined to optimize luminosity of electron-proton collisions keeping beam-beam effects in mind. It is shown that L_{ep}\sim10^{32}\,cm^{-2}s^{-1} can be achieved with moderate upgrade of the FCC parameters.

研究の動機と目的

• LC⊗FCCを基盤とする電子-陽子衝突機の最適ビームパラメータを特定し、luminosityを最大化すること。
• ビーム-ビームtuneシフトおよび破壊（disruption）制約下でのluminosity性能を評価すること。
• 中程度のFCCアップグレードで高luminosity ep衝突を達成可能かどうかを評価すること。
• 将来のep衝突機の選択肢として、ILCとPWFA-LCに基づく設計の性能を比較すること。
• このような衝突機の、標準模型を越える新しい物理を探査するための物理的ポ텐シャルを検討すること。

提案手法

• luminosityの式 $L_{ep} = \frac{N_e N_p}{4\pi \max[\sigma_{x_p},\sigma_{x_e}] \max[\sigma_{y_p},\sigma_{y_e}]} \min[f_{c_p}, f_{c_e}]$ を用いてluminosityを計算する。
• 陽子のビーム-ビームtuneシフト（$\xi_{x_p}, \xi_{y_p}$）および電子の破壊パラメータ（$D_{x_e}, D_{y_e}$）の式を適用し、ビームパラメータの制約を課す。
• ILCとPWFA-LCという2通りの線形衝突機の選択肢を検討し、それぞれ異なる電子ビームエネルギーと繰り返しレートを想定する。
• FCC陽子ビームパラメータと、衝突点でのマッチド電子ビームパラメータを用いて数値シミュレーションを実施する。
• Weiの式を用いてIBS成長時間を評価し、高エネルギー電子ビームのビーム安定性を検証する。
• 動的焦点化およびエネルギー回収方式を、luminosity向上の可能性のある技術として検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度のFCCアップグレードで、LC⊗FCCを基盤とするep衝突機で $L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ を達成できるか？
• RQ2 ビーム-ビームtuneシフトおよび破壊効果は、ep衝突機設計におけるluminosityにどのように制限を及えるか？
• RQ3 多TeV中心系エネルギー下で、ILCおよびPWFA-LCを基盤とするep衝突機の最大達成可能luminosityはどの程度か？
• RQ4 電子ビームエネルギーは、IBS成長時間を通じてluminosityおよびビーム安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 動的焦点化やエネルギー回収といった高度な技術を用いることで、luminosityのさらなる向上が可能か？

主な発見

• 中程度のFCC陽子ビームパラメータのアップグレードにより、$L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ のluminosityが達成可能である。
• ILC⊗FCCでは、$E_e = 500\,\text{GeV}$、$\xi_p \approx 5.47 \times 10^{-4}$、$D_e \approx 0.50$ の条件下で $L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ を達成できる。
• PWFA-LC⊗FCCでは、$E_e = 5000\,\text{GeV}$、$\xi_p \approx 5.47 \times 10^{-4}$、$D_e \approx 0.05$ の条件下で $L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ を達成可能である。
• IBS成長時間は $E_e = 5000\,\text{GeV}$ でも十分に長く、$L_c = 203.0\,\text{m}$ の場合で18時間に達し、ビームダイナミクスの安定性が保証されている。
• 破壊限界 $D_e = 25$ の場合、$E_e = 5000\,\text{GeV}$、$N_p = 45.8 \times 10^{11}$ プロトン/ビームで $L_{ep} \sim 10^{30}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ を達成可能である。
• 動的焦点化により、luminosityを $L_{ep} \sim 10^{33}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ まで向上可能であり、ILCベースの設計でエネルギー回収を導入すれば $L_{ep} > 10^{34}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ に達する可能性がある。