[論文レビュー] The Large Hadron Electron Collider Project

M. Klein|ArXiv.org|Aug 20, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

Large Hadron Electron Collider (LHeC) は、CERN において既存の LHC プロトンビームと新たに設置される電子リングまたはリニアックを用いて、$ep$ および $eA$ コライダーを実現する高インテンシティ型加速器を提案している。これにより、$5 \times 10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ のインテンシティを達成し、パートンダイナミクス、QCD 過飽和、およびテラスケール領域の新物理を精密に研究可能となる。本プロジェクトは、最小限の研究開発で実現可能であり、HERA や TESLA の経験を活用している。

ABSTRACT

A Conceptual Design Report (CDR) for the Large Hadron Electron Collider, the LHeC, is being prepared, to which an introduction was given for the plenary panel discussion on the future of deep inelastic scattering held at DIS09. This is briefly summarised here. The CDR will comprise designs of the ep/eA collider, based on ring and linear electron accelerators, of the interaction region, designed for simultaneous $ep$ and $pp$ operation, of a new, modular detector, and it will present basics on the physics motivation for a high luminous Tera scale electron-nucleon collider as a complement to the LHC.

研究の動機と目的

• Terascale 領域を探索し、クォークおよびグルーオンの微細構造を解明する高インテンシティ型電子-陽子および電子-イオンコライダー（LHeC）を設計すること。
• 量子色力学（QCD）における根本的問題、特にパートン過飽和、低 $x$ におけるグルーオン密度の増加、およびパートン放出のダイナミクスに取り組むこと。
• 偏極した $e^\pm$ ビームを用いて、LHC の物理計画を補完し、新規状態のパートン分布および量子数に関する高精度な測定を可能にすること。
• 極めて前向きおよび後向きの粒子を、0.1 mm 未満の分解能と高い放射線耐性を備えた、新たなモジュラー型検出器を開発すること。
• LHC の重イオンおよびデュテロンビーム運用と両立可能であり、将来のアップグレードおよびマルチ目的物理に柔軟に対応できるようにすること。

提案手法

• 既存の LHC プロトンおよびイオンビームを活用し、電子ビームは新たに設置されるシンクロtronリングまたは超伝導電子リニアックによって供給する。
• 同時に $pp$ および $ep$ 衝突を可能にする新しい衝突領域を設計し、ビーム交差角を 2 mrad 未満に抑え、クローブ・キャビティを用いてインテンシティを維持する。
• ビームパイプに近い位置に内層ピクセルおよび GOSSIP トラックャー層を設置し、Calice 形式の前向きおよび後向きコロイメータを組み合わせた、高グレインの新しい検出器レイアウトを実装する。
• 中央部の検出器部品を容易に取り外せるモジュラー検出器設計を採用し、衝突領域付近の集光磁石に適合させる。
• シンクロtron放射とビームバックグラウンドの詳細なシミュレーションを実施し、ビームパイプの直径および検出器の幾何形状を制約する。
• HERA、LEP、H1、ZEUS、および ILC 検出器設計の経験を活用して、LHeC の検出器および加速器システムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC インfraストラクチャを用いて、最小限の追加研究開発でテラスケール $ep$ コライダーを構築可能か？
• RQ2 $ep$ および $eA$ 衝突において $10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ のインテンシティを達成する最適な構成（リング-リング対比リニアック-リング）は何か？
• RQ3 検出器は、前向き方向の高密度ハドロン最終状態および後向き電子を、どの程度の高精度で解像可能か？
• RQ4 LHeC は、$7 \times 10^{-20}$ m よりも小さい距離スケールでクォークおよびグルーオンの微細構造をどの程度まで探査可能か？
• RQ5 LHeC における偏極 $e^\pm$ ビームは、LHC で発見された新物理状態の量子数およびスピン構造をどの程度まで明確に区別可能か？

主な発見

• 50 GeV の電子リングを用いることで、LHeC は $5 \times 10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ のインテンシティを達成可能であり、これは HERA の100倍に相当する。
• 提案された検出器設計は、H1 検出器よりも2倍高いアライメントおよびキャリブレーション精度を実現可能であり、内層には低材料バジェットを実現する GOSSIP 形式のシリコンピクセルトラッカーを採用している。
• シンクロtron放射およびビームバックグラウンドのシミュレーションにより、ビームパイプの直径および検出器レイアウトが制約され、その結果が最終的なインテーク領域設計に反映される。
• リニアック方式では、150 GeV の電子エネルギーを実現可能であり、DESY のXFEL で使用されている TESLA 形式のキャビティを用い、勾配は約 25 MV/m となる。
• LHeC は、最小限の研究開発で実現可能であり、HERA、LEP、および ILC の実績技術を活用しており、重大な技術的障壁は同定されていない。
• 本プロジェクトは包括的な物理計画を支援しており、バリオン、海クォーク、グルーオン分布の直接的アンフォールディングが可能となり、核構造に関する知識が4桁分拡張される。