[论文解读] A Muon Collider Facility for Physics Discovery

Diktys Stratakis, N. Mokhov+67 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 5

一句话总结

本文提出建设一台3 TeV的μ子对撞机，作为高能物理的下一代设施，通过先进的μ子冷却、加速和束流动力学技术，实现对标准模型之外新物理的前所未有的精确探测。该研究通过现有研发工作（包括MICE和MuCool）证明了其可行性，并明确了到2045年在全球合作下实现建设的清晰路径。

ABSTRACT

Muon colliders provide a unique route to deliver high energy collisions that enable discovery searches and precision measurements to extend our understanding of the fundamental laws of physics. The muon collider design aims to deliver physics reach at the highest energies with costs, power consumption and on a time scale that may prove favorable relative to other proposed facilities. In this context, a new international collaboration has formed to further extend the design concepts and performance studies of such a machine. This effort is focused on delivering the elements of a $\sim$10 TeV center of mass (CM) energy design to explore the physics energy frontier. The path to such a machine may pass through lower energy options. Currently a 3 TeV CM stage is considered. Other energy stages could also be explored, e.g. an s-channel Higgs Factory operating at 125 GeV CM. We describe the status of the R&D and design effort towards such a machine and lay out a plan to bring these concepts to maturity as a tool for the high energy physics community.

研究动机与目标

• 制定全球路线图，将3 TeV μ子对撞机确立为未来能量前沿设施。
• 识别并解决μ子产生、冷却和加速中的关键技术挑战。
• 通过现有的和计划中的研发项目（如MICE、EMMA和MuCool射频计划）证明其可行性。
• 通过与NuSTORM和ENUBET等中微子设施共享基础设施，实现中微子截面的高精度测量，并开展标准模型之外新物理的搜索。
• 通过创新的加速器概念和技术应用，确保在成本、功耗和时间进度方面优于其他能量前沿对撞机（如CLIC）的优势。

提出的方法

• 利用高功率质子束通过散裂靶产生π子和μ子，借鉴LBNF和T2HK项目的经验。
• 采用离子束冷却和摩擦冷却技术实现六维（6D）μ子冷却，该技术已在MICE和PSI实验中得到验证。
• 使用高梯度射频腔和超导磁体，实现μ子的高效加速。
• 集成固定场交替梯度加速器（FFAs），以实现低能加速阶段的高效运行。
• 设计碰撞能量达3 TeV的设施，支持能量前沿的高亮度实验。
• 与NuSTORM和ENUBET等中微子设施共享基础设施，包括束流传输线和冷却演示实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现有和近期研发工作的基础上，能否在2045年前建成3 TeV μ子对撞机？
• RQ2 μ子冷却、加速和束流稳定性方面的关键技术挑战是什么？
• RQ3 如何将散裂中子源和中微子设施中已有的加速器技术适配于μ子对撞机系统？
• RQ4 与其它能量前沿选项相比，μ子对撞机的性能、成本和功耗表现如何？
• RQ5 与中微子物理设施共享基础设施是否能降低总体成本并加速研发进程？

主要发现

• 未发现μ子对撞机概念中的根本性障碍，支持其在2045年前具备建设可行性。
• MICE实验成功实现了六维离子束冷却，验证了μ子对撞机设计中的核心组件。
• MuCool射频计划已证明高梯度射频腔对高效μ子加速至关重要。
• 基于FFA的加速方案在低能阶段表现出前景，因其具有高重复频率和较低功耗。
• 高功率质子加速器（如SNS、J-PARC、ESS）为μ子产生靶和束流处理提供了技术基础。
• 与NuSTORM和ENUBET共享基础设施，可实现μ子冷却演示与中微子物理的共址建设，降低费用并加速研发。