[论文解读] A Staged Muon Accelerator Facility For Neutrino and Collider Physics

Jean‐Pierre Delahaye, C. Ankenbrandt+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2015

Muon and positron interactions and applications参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出在费米实验室分阶段建设μ子加速器设施，整合中微子物理（通过中微子工厂）和高能对撞机物理（通过μ子对撞机）。该计划采用分阶段方法，利用费米实验室的PIP-II和LBNF升级项目，每一阶段均作为关键技术的验证平台，如μ子冷却和加速技术，最终实现在强度前沿和能量前沿的变革性发现。

ABSTRACT

Muon-based facilities offer unique potential to provide capabilities at both the Intensity Frontier with Neutrino Factories and the Energy Frontier with Muon Colliders. They rely on a novel technology with challenging parameters, for which the feasibility is currently being evaluated by the Muon Accelerator Program (MAP). A realistic scenario for a complementary series of staged facilities with increasing complexity and significant physics potential at each stage has been developed. It takes advantage of and leverages the capabilities already planned for Fermilab, especially the strategy for long-term improvement of the accelerator complex being initiated with the Proton Improvement Plan (PIP-II) and the Long Baseline Neutrino Facility (LBNF). Each stage is designed to provide an R&D platform to validate the technologies required for subsequent stages. The rationale and sequence of the staging process and the critical issues to be addressed at each stage, are presented.

研究动机与目标

• 制定一条切实可行的、分阶段的μ子基设施发展路线图，使强度前沿和能量前沿的中微子物理与对撞机物理成为可能。
• 利用费米实验室现有的和计划中的基础设施（包括PIP-II和LBNF），以降低技术和财务风险。
• 使每一阶段均作为研发平台，以验证μ子冷却、加速和束流操控等关键技术。
• 解决μ子基加速器的主要技术挑战，包括μ子寿命短和辐射水平高的问题。
• 证明μ子加速器作为下一代粒子物理设施在科学和技术上的可行性。

提出的方法

• 提出分阶段的设施序列：从原型中微子工厂开始，逐步推进到高亮度μ子对撞机。
• 利用费米实验室的PIP-II质子源和LBNF中微子束线作为早期阶段的基础基础设施。
• 采用基于离子化技术的μ子冷却系统，以减小束流发射度。
• 设计束流动力学和加速方案，以应对μ子极短的寿命（2.2 μs）和高辐射环境。
• 集成先进的诊断与反馈系统，实现实时监测和控制束流质量。
• 通过模拟和原型验证每一阶段，在推进到下一阶段前确保技术成熟度。

实验结果

研究问题

• RQ1 分阶段的μ子加速器研发方法是否能降低技术和财务风险，同时实现早期科学产出？
• RQ2 如何利用费米实验室现有的基础设施（PIP-II、LBNF）来支持μ子设施的初始阶段？
• RQ3 在每一阶段必须验证的关键技术挑战（尤其是μ子冷却和束流操控）有哪些？
• RQ4 每一阶段的设施在多大程度上可作为后续阶段的技术研发平台？
• RQ5 基于μ子的设施在强度前沿（中微子物理）和能量前沿（对撞机物理）的科学潜力如何？

主要发现

• 分阶段方法可实现对关键技术（如μ子冷却和束流动力学）的渐进式验证，从而降低整体风险。
• 整合PIP-II和LBNF基础设施为早期研发和中微子物理提供了坚实基础。
• 设施的每一阶段均设计为在提供显著物理产出的同时，作为下一阶段技术的试验平台。
• 通过利用费米实验室长期的加速器发展战略，μ子加速器的可行性得到增强。
• 该路线图展示了通往高亮度μ子对撞机的清晰路径，具有变革性粒子物理的潜力。
• 该设施概念通过单一、可扩展的基础设施，同时支持强度前沿（中微子）和能量前沿（对撞机）物理。