[論文レビュー] Positron driven muon source for a muon collider

D. Alesini, M. Antonelli+56 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2019

Muon and positron interactions and applications参考文献 18被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、将来のミューオン衝突機向けに、低原子番号（Z）の標的にて閾値エネルギー近辺の $ e^+e^- $ 衝突によりミューオン対を生成する、陽電子駆動型ミューオン源である LEMMA 概念を提案する。高エネルギー・低発散度の陽電子リング（PR）を用いることで、最小限の発散度増大と複数回のビーム通過を組み合わせ、理論的ミューオン生成効率を1束あたり最大 $ 10^{-5} $ まで向上させ、冷却の必要性を著しく低減し、最適化された標的材料とビームダイナミクスを活用して高全有効断面積衝突機運転を可能にする。

ABSTRACT

The design of a future multi-TeV muon collider needs new ideas to overcome the technological challenges related to muon production, cooling, accumulation and acceleration. In this paper a layout of a positron driven muon source known as the Low EMittance Muon Accelerator (LEMMA) concept is presented. The positron beam, stored in a ring with high energy acceptance and low emittance, is extracted and driven to a multi-target system, to produce muon pairs at threshold. This solution alleviates the issues related to the power deposited and the integrated Peak Energy Density Deposition (PEDD) on the targets. Muons produced in the multi-target system will then be accumulated before acceleration and injection in the collider. A multi-target line lattice has been designed to cope with the focusing of both the positron and muon beams. Studies on the number, material and thickness of the targets have been carried out. A general layout of the overall scheme and a description is presented, as well as plans for future R&D.

研究の動機と目的

• マルチTeV級ミューオン衝突機の実現に向けたミューオン生成、冷却、加速における主な技術的課題に対処すること。
• ミューオン発散度増大を最小限に抑え、広範な冷却システムへの依存を低減する革新的なソース概念の開発。
• 高エネルギー・低発散度の陽電子ビームと最適化された低Z標的を用いて、高輝度ミューオンビームの実現。
• 高反復率を実現するための複数通過陽電子リング方式の実現可能性の評価。
• 衝突機に必要な全有効断面積を達成するためのビームダイナミクス、標的材料、加速器サブシステムの主要な研究開発（R&D）パスの同定。

提案手法

• 高エネルギー・低発散度の陽電子リング（PR）を用い、マルチターゲット系との相互作用に向けた陽電子束を貯蔵および抽出する。
• 低Z材料（例えばベリリウム、炭素、ダイヤモンド、液体水素）からなるマルチターゲットラインを採用し、ミューオン対生成効率を最大化するとともに発散度増大を最小限に抑える。
• 中心系エネルギー約0.23 GeVの閾値近辺での $ e^+e^- \to \mu^+\mu^- $ 截面を適用し、ピーク生成効率を約1 μbで達成する。
• 標的厚さとビームパラメータを最適化し、ミューオン収率、ビームエネルギー分散、放射線損傷のバランスを取る。$ \rho^{-}l \approx 10^{25}\ \text{cm}^{-2} $ が達成可能な最大積である。
• シンクロtron放射の低減と高電流運転（最大250 mA）を可能にするために、陽電子リングにプッシュプル構成を導入し、反復率の向上を図る。
• ミューオンの長い実験フレーム内寿命（約460 μs）を活用し、2つのミューオン蓄積リングを用いた複数通過方式を導入することで、迅速な束ぶつくりを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽電子駆動型ミューオン源は、広範な冷却を要さずに高全有効断面積ミューオン衝突機を実現するのに十分なミューオン生成効率を達成できるか？
• RQ2 ベリリウム、炭素、ダイヤモンド、液体水素などの低Z標的材料は、銅などの重い材料と比較して、ミューオン収率と発散度増大の面でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 放射的バッハァ散乱とビームエネルギー損失の制約のもとで、達成可能な最大ミューオン生成効率は何か？
• RQ4 ビームダイナミクスとリング設計をどのように最適化すれば、複数回のビーム通過と高反復率を実現できるか？
• RQ5 低発散度生成と組み合わせた場合、中程度の冷却が全有効断面積のさらなる向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 理論的最高ミューオン生成効率は、$ \mu^+\mu^- $ 截面と放射的バッハァ截面の比に起因し、1束あたり $ 10^{-5} $ に制限される。
• ベリリウム、炭素、ダイヤモンドなどの低Z材料は、銅などの重い材料と比較して、はるかに高いミューオン生成効率と低い発散度増大を示す。
• 単一通過運用では、0.3X（放射長さ単位）の統合的標的厚さが最適であり、ミューオン収率とビーム劣化のバランスを取る。
• 液体水素標的を複数相互作用点（multi-IP）構成で用いることで、ビーム通過回数の低減と有効厚さの向上により、全有効断面積を約15倍に増大可能。
• 高勾配RFシステムとプッシュプル運転により、陽電子リング電流を3〜4倍に増加させることで、より多くのビーム通過が可能となり、全有効断面積に2次関数的向上が見込まれる。
• 中程度の冷却（発散度を1〜2桁減少）は実現可能であり、効果的である。光学的ストキャスティック冷却や結晶冷却が、さらなる発散度制御のための実現可能な道筋を提供する。