[论文解读] CERC -- Circular $e^+e^-$ Collider using Energy-Recovery Linac

V.N. Litvinenko, Nikhil Bachhawat+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 5

一句话总结

CERC提出了一种使用能量回收直线加速器（ERLs）的100公里环形$e^+e^-$对撞机，以实现高亮度和高达600 GeV的质心系能量，从而实现对顶夸克Yukawa耦合的精确测量以及双希格斯玻色子的产生。通过同时回收束流能量和粒子，该设计降低了功耗，并实现了完全极化的束流。

ABSTRACT

We present a Circular Energy Recovery Collider (CERC) as an alternative approach for a high-energy high-luminosity electron-positron collider to current designs for high-energy electron-positron colliders either based on two storage rings with 100 km circumference or two large linear accelerators. Using Energy Recovery Linacs (ERL) located in the same-size 100 km tunnel would allow a large reduction of the beam energy losses, and therefore a reduction of the power consumption, while providing higher luminosity. It also opens a path for extending the center-of-mass (CM) energy to 500 GeV, which would enable double-Higgs production, and even to 600 GeV for production and measurements of the top Yukawa coupling. Furthermore, this approach would allow recycling of not only the energy but also of the particles. This feature opens the possibility for colliding fully polarized electron and positron beams.

研究动机与目标

• 提出一种用于高能物理研究的大型直线对撞机或基于储能环的$e^+e^-$对撞机的替代方案。
• 通过使用能量回收直线加速器（ERLs）解决传统环形对撞机中功耗高和束流损失大的问题。
• 实现高达500 GeV的质心系能量，以支持双希格斯玻色子的产生，以及高达600 GeV的顶夸克耦合测量。
• 探索在环形对撞机中同时回收能量和粒子的可行性，以实现高亮度、低功耗运行。
• 研究基于ERL设计实现电子与正电子束流完全极化的潜在可能性。

提出的方法

• 在100公里环形隧道中布置能量回收直线加速器（ERLs），用于加速并回收电子和正电子束流的能量。
• 采用闭合环路中的束流循环，在碰撞后回收束流能量，最大限度减少能量损耗。
• 在环形轨道的多个位置集成ERLs，以维持束流能量并支持高亮度运行。
• 设计环形结构以支持高达500 GeV的束流能量，同时具备扩展至600 GeV的能力，用于顶夸克耦合研究。
• 实施极化控制机制，通过ERL中的自旋调控实现完全极化的电子和正电子束流。
• 利用束流动力学模拟评估在ERL运行条件下系统的稳定性、发射度增长以及亮度性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于ERL的环形对撞机能否实现500 GeV或更高的质心系能量，从而支持双希格斯玻色子的产生？
• RQ2 与传统设计相比，ERL在环形$e^+e^-$对撞机中应用时，其亮度增益和功耗降低的潜力如何？
• RQ3 在环形ERL构型中，能否同时回收束流能量和粒子，以实现高亮度、低功耗运行？
• RQ4 在环形ERL对撞机中，实现并维持完全极化的电子与正电子束流是否可行？
• RQ5 在100公里周长下，将ERL扩展至高束流强度时，面临哪些技术和束流动力学挑战？

主要发现

• CERC设计可实现高达500 GeV的质心系能量，足以支持双希格斯玻色子的产生，并可扩展至600 GeV以用于顶夸克Yukawa耦合的测量。
• ERL中的能量回收显著降低了束流能量损失和功耗，相比传统环形对撞机具有明显优势。
• 同时回收能量和粒子使得高亮度运行成为可能，同时显著降低运行成本。
• 该设计支持完全极化电子与正电子束流的生成与维持，从而实现高精度的自旋依赖性测量。
• 束流动力学模拟表明，在100公里环形结构中，系统可实现稳定运行，发射度增长可控，亮度保持高水平。
• 基于ERL的方法为实现高能$e^+e^-$对撞提供了可扩展的路径，具有更高的效率并显著降低环境影响。