[論文レビュー] VHEeP: A very high energy electron-proton collider based on proton-driven plasma wakefield acceleration

A. Caldwell, M. Wing|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、陽子駆動型プラズマウェイクフィールド加速を用いて電子を3 TeVまで加速する、非常に高エネルギーの電子–陽子衝突器VHEePを提案する。これにより、中心系エネルギー9 TeVの衝突が可能となり、QCDの飽和や高エネルギー光子–陽子断面積に特有の感度が得られる。光度が低く（約1 pb⁻¹/年）、それでもx ~ 10⁻⁸にまで及ぶパートン運動量分率にアクセス可能であり、これはQCDの飽和と高エネルギー光子–陽子断面積の解明に貢献する。

ABSTRACT

Based on current CERN infrastructure, an electron-proton collider is proposed at a centre-of-mass energy of about 9 TeV. A 7 TeV LHC bunch is used as the proton driver to create a plasma wakefield which then accelerates electrons to 3 TeV, these then colliding with the other 7 TeV LHC proton beam. The basic parameters of the collider are presented, which although of very high energy, has integrated luminosities of the order of 1 pb$^{-1}$/year. For such a collider, with a centre-of-mass energy 30 times greater than HERA, parton momentum fractions, $x$, down to about $10^{-8}$ are accessible for $Q^2$ of 1 GeV$^2$ and could lead to effects of saturation or some other breakdown of DGLAP being observed. The total photon-proton cross section can be measured up to very high energies and also at different energies as the possibility of varying the electron beam energy is assumed; this could have synergy with cosmic-ray physics. Other physics which can be pursued at such a collider are contact interaction searches, such as quark and electron substructure, and measurements of the proton structure as well as other more conventional measurements of QCD at high energies and in a new kinematic regime. The events at very low $x$ will lead to electrons and the hadronic final state produced at very low angles and so a novel spectrometer device will be needed to measure these. First ideas of the physics programme of such a collider are given.

研究の動機と目的

• 既存のCERNインfrastrucureを用いた非常に高エネルギーの電子–陽子衝突器の実現可能性を検討すること。
• HERA や LHeC よりもはるかに高い中心系エネルギーで、深く非弾性散乱の物理的到達範囲を調査すること。
• 極めて低いパートン運動量分率（x ~ 10⁻⁸）にアクセスすることで、QCDの飽和効果を観測する可能性を評価すること。
• coherence長さl ~ 3×10⁸ fmまで到達可能な光子–陽子断面積の測定を可能とし、普遍的挙動の始まりを調べること。
• 非常に小さな角度で散乱する電子およびハドロンを測定可能な、低x最終状態を扱える検出器概念の設計

提案手法

• 7 TeV LHC陽子ビームを駆動源として、プラズマ媒体内でウェイクフィールドを励起する。
• プラズマウェイクフィールド加速を用いて、4 kmの距離で電子ウィtnessビームを3 TeVまで加速し、勾配は約100 GV/mに達する。
• 電子ビームエネルギーを変更可能と仮定し、高エネルギー過程のエネルギー分解能測定を可能にする。
• 加速された電子ビームがLHCの未乱れの7 TeV陽子ビームと衝突する衝突器構成を提案する。
• 中心衝突検出器と長大なスぺクトロメータアームを備えた新規検出器システムを設計し、非常に小さな角度での電子およびハドロンの測定を可能にする。
• x、Q²、およびyの運動量分布をシミュレートするためにAriadneモンテカルロジェネレータを適用し、x ~ 10⁻⁸への外挿も行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のLHCインfrastrucureを用いて、陽子駆動型プラズマウェイクフィールド加速が4 kmの距離で電子を3 TeVまで加速可能かどうか。
• RQ2 このような衝突器が、Q² > 1 GeV²の条件下で、パートン運動量分率xを10⁻⁸まで探査できる範囲はどの程度か。
• RQ3 VHEeP衝突器が、coherence長さl > 10⁶ fmの領域で光子–陽子断面積を測定可能かどうか。これは、飽和の始まりを示唆する。
• RQ4 VHEePの運動量カバレッジが、HERA や LHeC と比較して、xおよびQ²の範囲においてどのように異なるか。
• RQ5 高エネルギー・低x過程に起因する非常に小さな角度で生成される最終状態を測定するためには、どのような検出器構成が必要か。

主な発見

• VHEeP衝突器は、3 TeVの電子と7 TeVの陽子を衝突させることで、中心系エネルギー約9 TeVを達成し、Q² > 1 GeV²の条件下でパートン運動量分率xを10⁻⁸までアクセス可能となる。
• 統合光度は約1 pb⁻¹/年と推定され、ビーム周波数2 Hz、1バッチあたり4×10¹¹個の陽子、1×10¹¹個の電子を想定している。
• 運動量シミュレーションでは、xとQ²の強い相関が示され、分布は低x、低Q²、および低yでピークを示し、Q² > 1 GeV²の範囲でx ~ 10⁻⁸まで延長される。
• coherence長さlの高い領域への光子–陽子断面積の外挿的フィット結果から、VHEePはl ~ 3×10⁸ fm（x ~ 3.5×10⁻¹⁰）まで探査可能であり、飽和効果が現れる領域に近づくことが示唆される。
• 検出器設計には、中心衝突検出器と長大なスぺクトロメータアームが必要であり、特にx < 10⁻⁶の領域で散乱電子およびハドロン最終状態を測定可能である。
• Q² < 1 GeV²の領域での測定が、光子–陽子断面積の普遍的挙動の始まりを制約するために重要であり、低光度であるが、1–10 GeV²の範囲で有意義なデータが得られると予想される。