[论文解读] A High Luminosity e+e- Collider in the LHC tunnel to study the Higgs Boson

A. Blondel, F. Zimmermann|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用 30

一句话总结

本文提出在现有的大型强子对撞机（LHC）隧道内建设一台中心系(reference)能量为120 GeV的高亮度e⁺e⁻对撞机，借鉴国际线性对撞机（ILC）和LHeC的设计理念。通过一个由独立注入器持续补充的储存环，实现10^34 cm⁻²s⁻¹的亮度，使标准模型中115–130 GeV质量范围的希格斯玻色子每年可产生超过10^4个事例。

ABSTRACT

We consider the possibility of a 120x120 GeV e+e- ring collider in the LHC tunnel. A luminosity of 10^34/cm2/s can be obtained with a luminosity life time of a few minutes. A high operation efficiency would require two machines: a low emittance collider storage ring and a separate accelerator injecting electrons and positrons into the storage ring to top up the beams every few minutes. A design inspired from the high luminosity b-factory design and from the LHeC design report is presented. Statistics of over 10^4 HZ events per year per experiment can be contemplated for a Standard Higgs Boson mass of 115-130 GeV.

研究动机与目标

• 探索在现有LHC隧道内建设高亮度e⁺e⁻对撞机的可行性，以实现对希格斯玻色子的高精度研究。
• 实现10^34 cm⁻²s⁻¹的亮度，以支持希格斯玻色子物理的大事例统计。
• 通过双机系统（低发射度储存环与独立注入器）实现运行效率，确保亮度稳定。
• 借鉴ILC和LHeC的成熟设计，降低技术风险并最大化性能表现。
• 在115–130 GeV质量范围内实现每年每实验超过10^4个希格斯玻色子事例，支持全面研究。

提出的方法

• 采用受高亮度B工厂启发的储存环设计，以实现低发射度和高亮度。
• 设置独立的电子和正电子注入器，每几分钟对储存环束流进行补充，维持亮度水平。
• 利用LHC隧道现有的基础设施和磁 lattice 结构，降低建设成本与复杂性。
• 优化束流参数与 lattice 设计，以最小化能量损失并最大化亮度寿命。
• 集成束流动力学仿真与反馈系统，确保束流稳定性和性能表现。
• 借助CERN已有的ILC和LHeC技术经验与设计报告，实现技术验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC隧道内以最小改动实现高亮度e⁺e⁻对撞机是否具有现实可行性？
• RQ2 在LHC隧道内，采用储存环与束流补充系统的亮度性能可达到何种水平？
• RQ3 对于标准模型中115–130 GeV质量范围的希格斯玻色子，每年可收集多少个事例？
• RQ4 ILC和LHeC的设计原则中，哪些可有效应用于该新型对撞机概念？
• RQ5 为维持高亮度运行，所需的束流寿命与注入效率分别是多少？

主要发现

• 通过低发射度储存环与束流补充系统，可在LHC隧道内实现10^34 cm⁻²s⁻¹的亮度。
• 亮度寿命估计为数分钟，因此需持续补充束流以维持长期运行。
• 对于115–130 GeV质量范围的希格斯玻色子，每年可收集超过10^4个事例。
• 该设计基于ILC和LHeC的成熟技术，降低技术风险，支持快速开发。
• 能量损失已量化，并通过 lattice 设计与射频系统进行管理，以维持束流质量。
• 该概念具备可扩展性，若需要可扩展至更大隧道，为未来升级提供灵活性。