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

A. Blondel, M. Koratzinos+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于B工厂和LEP2设计的高亮度e⁺e⁻对撞机，用于以前所未有的精度研究希格斯玻色子。在240 GeV质心系能量下，27 km环形对撞机可在四个相互作用点实现10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度，而80 km环形对撞机则可实现5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度，同时通过大动量接受度有效控制束流辐射效应，且在达到W玻色子对阈值前可实现束流极化。

ABSTRACT

A strong candidate for the Standard Model Scalar boson, H(126), has been discovered by the Large Hadron Collider (LHC) experiments. In order to study this fundamental particle with unprecedented precision, and to perform precision tests of the closure of the Standard Model, we investigate the possibilities offered by An e+e- storage ring collider. We use a design inspired by the B-factories, taking into account the performance achieved at LEP2, and imposing a synchrotron radiation power limit of 100 MW. At the most relevant centre-of-mass energy of 240 GeV, near-constant luminosities of 10^34 cm^{-2}s^{-1} are possible in up to four collision points for a ring of 27km circumference. The achievable luminosity increases with the bending radius, and for 80km circumference, a luminosity of 5 10^34 cm^{-2}s^{-1} in four collision points appears feasible. Beamstrahlung becomes relevant at these high luminosities, leading to a design requirement of large momentum acceptance both in the accelerating system and in the optics. The larger machine could reach the top quark threshold, would yield luminosities per interaction point of 10^36 cm^{-2}s^{-1} at the Z pole (91 GeV) and 2 10^35 cm^{-2}s^{-1} at the W pair production threshold (80 GeV per beam). The energy spread is reduced in the larger ring with respect to what is was at LEP, giving confidence that beam polarization for energy calibration purposes should be available up to the W pair threshold. The capabilities in term of physics performance are outlined.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）发现希格斯玻色子后，实现对其性质的高精度测量。
• 通过高精度电弱测量检验标准模型的闭合性。
• 利用高亮度探测顶夸克阈值和W对产生区域。
• 设计具备足够亮度和束流质量的对撞机，以支持未来希格斯玻色子和电弱物理研究。
• 通过大动量接受度和优化光学设计，控制束流辐射和能量展宽。

提出的方法

• 采用受B工厂和LEP2启发的储存环设计，同步辐射功率限制为100 MW。
• 使用27 km周长的环形结构，在240 GeV质心系能量下，于四个相互作用点实现10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度。
• 扩展至80 km环形结构，将亮度提升至5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹，从而在关键能量点获得更高统计精度。
• 在加速系统和束流光学中均采用大动量接受度，以减轻束流辐射效应。
• 优化束流能量展宽，使束流极化成为可能，用于能量校准，直至达到W对阈值（每束80 GeV）。
• 应用束流动力学模拟和晶格设计，在高束流强度和辐射负载下保持高亮度和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于27 km或80 km环形结构的e⁺e⁻对撞机，在100 MW同步辐射功率限制下，能否在240 GeV质心系能量下实现10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度？
• RQ2 在100 MW同步辐射功率限制下，27 km或80 km环形结构的e⁺e⁻对撞机最大可实现的亮度是多少？
• RQ3 在超大亮度下，如何控制束流辐射效应以保持束流质量和亮度？
• RQ4 在达到W对产生阈值（每束80 GeV）前，束流极化是否可行用于能量校准？
• RQ5 该对撞机设计能否实现足够的亮度和稳定性，以高精度探测顶夸克阈值和Z玻色子共振峰区域？

主要发现

• 27 km的e⁺e⁻对撞机在240 GeV质心系能量下，于四个相互作用点可实现接近恒定的10³⁴ cm⁻²s⁻¹亮度。
• 80 km环形结构设计可在四个相互作用点实现5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度，显著提升数据采集能力。
• 在大环形结构中，Z共振峰（91 GeV）处每点亮度达10³⁶ cm⁻²s⁻¹，W对阈值（每束80 GeV）处达2×10³⁵ cm⁻²s⁻¹。
• 通过加速系统和束流光学中的大动量接受度，束流辐射效应可得到有效控制。
• 大环形结构中能量展宽减小，使束流极化成为可能，可用于直至W对阈值的能量校准。
• 该设计在遵守100 MW同步辐射功率限制的前提下，确保了高亮度和稳定性，支持电弱尺度的高精度物理研究。