[论文解读] Accelerator system for the PRISM based muon to electron conversion experiment

A. Alekou, R. B. Appleby+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

Muon and positron interactions and applications参考文献 10被引用 12

一句话总结

本文提出了一种用于PRISM实验的先进加速器系统，旨在实现高强度、高质量的μ子束流，以研究轻子 flavor 破坏。通过采用具有射频（RF）相位旋转的固定场交替梯度（FFAG）环，该系统可减小动量展宽并净化来自π介子和质子的μ子束流，从而显著提升束流质量，这对于高灵敏度μ子到电子转换探测至关重要。

ABSTRACT

The next generation of lepton flavor violation experiments need high intensity and high quality muon beams. Production of such beams requires sending a short, high intensity proton pulse to the pion production target, capturing pions and collecting the resulting muons in the large acceptance transport system. The substantial increase of beam quality can be obtained by applying the RF phase rotation on the muon beam in the dedicated FFAG ring, which was proposed for the PRISM project.This allows to reduce the momentum spread of the beam and to purify from the unwanted components like pions or secondary protons. A PRISM Task Force is addressing the accelerator and detector issues that need to be solved in order to realize the PRISM experiment. The parameters of the required proton beam, the principles of the PRISM experiment and the baseline FFAG design are introduced. The spectrum of alternative designs for the PRISM FFAG ring are shown. Progress on ring main systems like injection and RF are presented. The current status of the study and its future directions are discussed.

研究动机与目标

• 设计一种能够为下一代PRISM实验产生高强度、高质量μ子束流的加速器系统。
• 解决由质子诱导的π介子产生所导致的μ子束流纯度与动量展宽问题。
• 通过最小化π介子和次级质子等背景成分，实现对稀有μ子到电子转换过程的精确测量。
• 开发一种基础FFAG环设计方案，以支持μ子的高效捕获、冷却及束流准备，满足实验需求。

提出的方法

• 利用短时、高强度的质子脉冲在专用靶材中产生π介子。
• 通过大接受度传输系统捕获π介子，并使其衰变为μ子。
• 采用具有RF相位旋转的FFAG环，压缩μ子束流的动量展宽，提升束流质量。
• 在FFAG环内应用束流冷却技术，减小横向发射度并抑制非期望粒子。
• 设计适用于高强度运行和FFAG环内束流稳定性的注入与RF系统。
• 探索多种FFAG环构型，以优化PRISM实验的性能与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何产生高强度、高质量的μ子束流，以满足PRISM实验的灵敏度要求？
• RQ2 在FFAG环中，RF相位旋转在减小动量展宽和提升束流纯度方面发挥何种作用？
• RQ3 哪些FFAG环的最优设计参数可实现高效的μ子束流冷却与传输？
• RQ4 在束流质量与技术可行性方面，不同FFAG环构型之间的表现如何比较？
• RQ5 在PRISM实验中，集成注入系统、RF系统与束流动力学系统时面临的主要挑战与解决方案是什么？

主要发现

• 具有RF相位旋转的FFAG环能有效减小μ子束流的动量展宽，显著提升束流质量。
• 该系统可有效抑制π介子与次级质子，提升束流纯度，适用于高精度测量。
• 对多种FFAG环设计方案进行了评估，表明存在可行路径可满足PRISM实验所需的束流参数。
• 在设计适用于高强度运行与束流稳定性的注入与RF系统方面取得进展。
• 本研究确立了支持PRISM实验技术与物理目标的基础FFAG设计方案。