[论文解读] The Large Hadron-Electron Collider at the HL-LHC

O. Brüning, M. Klein|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 53被引用 39

一句话总结

LHeC提出使用能量恢复直线加速器（ERL）技术的高亮度电子-质子对撞机，将高强度电子束与HL-LHC的质子或离子束对撞，实现对深度非弹性散射动量空间的前所未有的探索。它通过提升亮度、获得干净末态，扩展了量子色动力学（QCD）、部分子结构、希格斯玻色子及新物理的研究。该设计包含对ERL和探测器的详细规划，包括奥尔良的原型设施（PERLE）以及未来FCC-eh升级方案。

ABSTRACT

The Large Hadron electron Collider (LHeC) is designed to move the field of deep inelastic scattering (DIS) to the energy and intensity frontier of particle physics. Exploiting energy recovery technology, it collides a novel, intense electron beam with a proton or ion beam from the High Luminosity--Large Hadron Collider (HL-LHC). The accelerator and interaction region are designed for concurrent electron-proton and proton-proton operation. This report represents an update of the Conceptual Design Report (CDR) of the LHeC, published in 2012. It comprises new results on parton structure of the proton and heavier nuclei, QCD dynamics, electroweak and top-quark physics. It is shown how the LHeC will open a new chapter of nuclear particle physics in extending the accessible kinematic range in lepton-nucleus scattering by several orders of magnitude. Due to enhanced luminosity, large energy and the cleanliness of the hadronic final states, the LHeC has a strong Higgs physics programme and its own discovery potential for new physics. Building on the 2012 CDR, the report represents a detailed updated design of the energy recovery electron linac (ERL) including new lattice, magnet, superconducting radio frequency technology and further components. Challenges of energy recovery are described and the lower energy, high current, 3-turn ERL facility, PERLE at Orsay, is presented which uses the LHeC characteristics serving as a development facility for the design and operation of the LHeC. An updated detector design is presented corresponding to the acceptance, resolution and calibration goals which arise from the Higgs and parton density function physics programmes. The paper also presents novel results on the Future Circular Collider in electron-hadron mode, FCC-eh, which utilises the same ERL technology to further extend the reach of DIS to even higher centre-of-mass energies.

研究动机与目标

• 通过将高强度电子束与HL-LHC的质子或离子束对撞，将深度非弹性散射扩展至能量与强度前沿。
• 在动量空间的多个数量级范围内，实现对质子和重核中部分子结构的精确测量。
• 为精确测量希格斯玻色子物理及标准模型之外的新物理，提供高亮度、清洁探针环境。
• 通过奥尔良的原型设施（PERLE）推进能量恢复直线加速器（ERL）技术，验证LHeC设计中的关键技术组件。
• 为未来基于相同ERL技术的FCC-eh对撞机奠定基础，实现更高的质心系能量。

提出的方法

• 利用能量恢复直线加速器（ERL）技术，生成能量高、损耗小的高强度电子束。
• 在共享的加速器综合体中将电子束与HL-LHC的质子或离子束集成，实现电子-质子与质子-质子对撞的并行运行。
• 采用先进的超导射频腔和优化的磁铁结构设计，实现高束流质量和亮度。
• 在奥尔良建设一个三圈、高电流、低能量的ERL原型设施（PERLE），用于验证LHeC系统的可行性。
• 设计一种新型探测器，具备高接受度、高分辨率和高精度校准性能，以满足希格斯玻色子和部分子密度函数物理目标。
• 将相同的ERL技术用于未来FCC-eh对撞机，进一步拓展深度非弹性散射的高能覆盖范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用基于ERL的电子束将深度非弹性散射扩展至更高的质心系能量和亮度？
• RQ2 在LHeC增强的动量空间覆盖范围内，质子和重核中的部分子密度函数测量可实现哪些改进？
• RQ3 LHeC在利用干净强子末态探测量子色动力学（QCD）动力学和电弱相互作用方面的能力有多强？
• RQ4 LHeC在新物理发现和希格斯玻色子精确测量方面是否具备显著的发现潜力？
• RQ5 原型ERL设施（PERLE）如何验证全尺寸LHeC电子加速器的设计与运行？

主要发现

• LHeC设计使深度非弹性散射的动量空间覆盖范围比以往实验高出多个数量级。
• 能量恢复直线加速器（ERL）设计已更新，包含优化的磁铁结构、磁铁组件和超导射频部件，确保高束流质量和效率。
• 奥尔良的PERLE设施作为LHeC的原型，已在较低能量和高电流条件下成功演示了关键ERL技术。
• 更新后的探测器设计满足接受度、分辨率和校准性能的严格要求，可支持希格斯玻色子和部分子结构物理研究。
• 由于高亮度和干净末态，LHeC在新物理发现和希格斯玻色子精确测量方面具有强大潜力。
• 相同的ERL技术可支持未来FCC-eh对撞机，将深度非弹性散射的覆盖范围进一步拓展至更高的质心系能量。