[论文解读] A complete demonstrator of a muon cooled Higgs factory

Carlo Rubbia|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 11

一句话总结

本文提出了一套完整的μ子冷却Higgs对撞机设计方案，采用一系列小型非传统环形结构级联，以实现高亮度μ子对撞所需的发射度。该方案详细阐述了分阶段实施路径：首先在现有设施中建设低强度μ子冷却演示装置，随后逐步扩展为全尺寸Higgs对撞机，其亮度可达10^32 cm⁻²s⁻¹，Higgs玻色子质量分辨率可达±100 keV。

ABSTRACT

The recent discovery of the Higgs particle of 125 GeV has revised the interest of the so-called Higgs factory, namely of a mu+mu- collider with adequately cooled intensity of about 6 10^12 muons of each sign, a repetition rate of 15-50 p/s and a luminosity of up to 10^32 cm-2 s-1. The process is the direct production of a H_0 scalar in the s-state. Its partial widths can be studied in clean conditions and with remarkable accuracy. The Ho mass itself can be measured to about +-100 keV (deltaE/E <10^-6) in the (WW) channel with the help of the decay frequency of the polarized mu->e nu nu decay electrons. The realization of a cascade of unconventional but very small rings of few meters radius is described, in order to achieve the required longitudinal and transverse emittances. Physics requirements and the many studies already undertaken suggest that the next step, prior to but adequate for a H_0 physics programme, could be the practical realization of a full scale muon cooling demonstrator. The correct operation of the demonstrator may be initially explored with the help of very low intensity muon beam already available in a number of different accelerators. The additional but relatively conventional components necessary to realize the facility with the appropriate luminosity should be constructed only after the success of this initial cooling experiment has been conclusively demonstrated. The ultimate mu+mu- collider for a Higgs Factory can be situated within the existing CERN or FNAL sites.

研究动机与目标

• 设计一条完整且实用的路径，实现面向Higgs玻色子研究的高亮度μ子对撞机。
• 解决通过创新的环形结构冷却方案实现μ子束流超低发射度的挑战。
• 提出分阶段实验方法，首先在现有加速器设施中开展低强度冷却演示。
• 通过纯净的s通道产生方式，实现对Higgs玻色子质量（±100 keV）和部分宽度的精确测量。
• 证明利用现有CERN或FNAL基础设施建设未来Higgs对撞机的可行性。

提出的方法

• 设计一系列小型、几米半径的环形结构级联，以实现μ子束流所需的纵向和横向发射度。
• 利用极化μ子的衰变频率（μ → eνν̄）实现对Higgs玻色子质量的亚MeV级精度测量。
• 实施分阶段实验策略：首先在现有设施中利用低强度μ子束流验证冷却性能。
• 在成功验证冷却性能后，再集成常规加速器组件。
• 利用现有的CERN或FNAL场地安装最终的Higgs对撞机，最大限度减少新建基础设施的需求。
• 应用μ子冷却技术，将发射度降低至实现10^32 cm⁻²s⁻¹亮度所要求的水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 一系列小型非传统环形结构是否能有效冷却μ子束流至Higgs对撞机所需的发射度？
• RQ2 在现有加速器中是否可行建设低强度冷却演示装置，以在大规模建设前验证冷却概念？
• RQ3 是否能通过μ子衰变频率和s通道产生方式，实现对Higgs玻色子质量±100 keV的测量精度？
• RQ4 如何优化环形结构半径和磁场配置，以实现必要的发射度降低？
• RQ5 如何安全高效地实现从冷却演示装置到全尺寸Higgs对撞机的过渡？

主要发现

• 提出了一套完整的μ子冷却Higgs对撞机设计方案，基于小型环形结构级联实现所需发射度。
• 通过极化μ子的衰变频率，可实现对Higgs玻色子质量±100 keV的测量精度（δE/E < 10⁻⁶）。
• 在现有加速器中建设低强度冷却演示装置是可行的，且可在大规模建设前验证冷却概念。
• 所提出的基于环形结构的冷却系统可实现10^32 cm⁻²s⁻¹的所需亮度。
• 最终的Higgs对撞机可建于现有CERN或FNAL设施内，显著降低基础设施成本。
• 分阶段方法确保仅在冷却性能成功验证后才建设常规组件。