[论文解读] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 4 (2018): The Compact Linear Collider (CLIC) – Project Implementation Plan

Markus Aicheler|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 106被引用 72

一句话总结

CLIC项目实施计划概述了一项分阶段的、能量尺度为TeV的直线对撞机，采用双束加速方案，利用12 GHz的常规导体结构，由高电流驱动束提供能量，功耗达170 MW，380 GeV阶段的成本估算约为60亿瑞士法郎。该设计可实现对希格斯玻色子和顶夸克的精确测量，并在长达25至30年的物理计划中开展新物理的直接搜索，预计2035年可实现首次束流。

ABSTRACT

The Compact Linear Collider (CLIC) is a TeV-scale high-luminosity linear $e^+e^-$ collider under development by international collaborations hosted by CERN. This document provides an overview of the design, technology, and implementation aspects of the CLIC accelerator. For an optimal exploitation of its physics potential, CLIC is foreseen to be built and operated in stages, at centre-of-mass energies of 380 GeV, 1.5 TeV and 3 TeV, for a site length ranging between 11 km and 50 km. CLIC uses a Two-Beam acceleration scheme, in which normal-conducting high-gradient 12 GHz accelerating structures are powered via a high-current Drive Beam. For the first stage, an alternative with X-band klystron powering is also considered. CLIC accelerator optimisation, technical developments, and system tests have resulted insignificant progress in recent years. Moreover, this has led to an increased energy efficiency and reduced power consumption of around 170 MW for the 380 GeV stage, together with a reduced cost estimate of approximately 6 billion CHF. The construction of the first CLIC energy stage could start as early as 2026 and first beams would be available by 2035, marking the beginning of a physics programme spanning 25-30 years and providing excellent sensitivity to Beyond Standard Model physics, through direct searches and via a broad set of precision measurements of Standard Model processes, particularly in the Higgs and top-quark sectors.

研究动机与目标

• 呈现一份关于紧凑直线对撞机（CLIC）的全面实施计划，CLIC是欧洲核子研究中心正在开发的未来TeV量级e+e−对撞机。
• 详细说明CLIC分阶段建设与运行所需的技术设计、技术选择及系统集成。
• 通过先进的加速器物理与工程发展，优化CLIC的性能、能效与成本。
• 评估基于速调管的替代方案在初始380 GeV阶段的可行性，以降低技术风险并实现更早部署。
• 定义通往1.5 TeV和3 TeV质心系能量的长期升级路径，提升亮度与物理探测能力。

提出的方法

• 采用双束加速方案，即高电流驱动束为主束加速器中的12 GHz常规导体加速结构供电。
• 实施分阶段建设方法，包含三个能量阶段：380 GeV、1.5 TeV和3 TeV，每个阶段的加速器长度逐步增加（11–50 km）。
• 在380 GeV阶段采用速调管替代方案，用X波段速调管替代驱动束，以降低复杂性并加速部署。
• 集成先进的束流动力学、真空、测量、对准及地面运动抑制系统，以维持纳米量级的束流稳定性。
• 应用超导阻尼摆动器和永磁体基磁铁系统，以最小化束流发射度并降低功耗。
• 实施全面的控制系统、束流诊断与机器保护系统，以确保安全稳定的运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种高亮度、TeV量级的直线对撞机，以在物理性能、成本与技术可行性之间实现最佳平衡？
• RQ2 如何通过12 GHz结构与驱动束实现双束加速所需的加速梯度与效率？
• RQ3 在初始380 GeV阶段采用速调管替代驱动束，其性能与成本影响如何？
• RQ4 在动态地面运动与磁场干扰条件下，如何在11–50 km长的加速器中维持束流发射度、稳定性和对准精度？
• RQ5 如何实现通往3 TeV能量的长期升级路径，同时保持高亮度（L∗ = 6 m）、能量效率与系统可靠性？

主要发现

• CLIC的380 GeV阶段功耗约为170 MW，相比早期估算显著降低，得益于优化的射频系统与能量回收技术。
• 380 GeV阶段的成本估算约为60亿瑞士法郎，反映了系统集成与技术发展方面的重大进展。
• 380 GeV阶段的速调管替代方案在技术上可行，可降低技术风险，有望实现2026年启动建设。
• 预计CLIC的首次束流将于2035年实现，完整的物理计划将持续25至30年，可在希格斯与顶夸克领域实现高精度测量。
• 在3 TeV能量下，设计支持6 × 10^30 cm⁻²s⁻¹的亮度，且L∗ = 6 m，可实现对标准模型之外新物理的敏感探测。
• 系统级研究证实，束流输运系统、真空系统与地面运动抑制措施能够满足纳米量级束流稳定性的严格要求。