[论文解读] Concept for a Future Super Proton-Proton Collider

Jingyu Tang, J. Scott Berg+49 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 32被引用 47

一句话总结

本文提出作为中国CEPC-SPPC项目的第二阶段，未来将建设超级质子-质子对撞机（SPPC），旨在希格斯玻色子在大型强子对撞机（LHC）发现后探索标准模型之外的新物理。SPPC设计采用100公里的环形对撞机环，实现中心系能量高达100 TeV的高亮度质子-质子对撞，利用先进的超导磁体技术和束流动力学优化，以实现对新物理的前所未有的精确探测，包括顶夸克和希格斯玻色子领域的测量。

ABSTRACT

Following the discovery of the Higgs boson at LHC, new large colliders are being studied by the international high-energy community to explore Higgs physics in detail and new physics beyond the Standard Model. In China, a two-stage circular collider project CEPC-SPPC is proposed, with the first stage CEPC (Circular Electron Positron Collier, a so-called Higgs factory) focused on Higgs physics, and the second stage SPPC (Super Proton-Proton Collider) focused on new physics beyond the Standard Model. This paper discusses this second stage.

研究动机与目标

• 设计一台下一代质子-质子对撞机，以在大型强子对撞机（LHC）发现希格斯玻色子后探索标准模型之外的新物理。
• 实现在中心系能量高达100 TeV的高亮度质子-质子对撞，以精确测量希格斯玻色子领域和顶夸克性质。
• 开发技术上可行且成本效益高的环形对撞机设计方案，配备先进的超导磁体系统和束流动力学控制技术。
• 通过未来对撞机设施支持国际高能物理界推进粒子物理的前沿研究。

提出的方法

• 设计一个周长100公里的环形对撞机环，专为100 TeV中心系能量下的高亮度质子-质子对撞进行优化。
• 采用先进的超导偶极和四极磁体，磁场强度高达16 T，以约束和聚焦质子束流。
• 实施束流动力学模拟，以控制束流发射度、束晕形成以及在高束流强度下的长期稳定性。
• 集成先进的射频系统和束流诊断仪器，实现在运行期间的精确控制与监测。
• 开展对机器保护、准直系统和阻抗控制的详细研究，以确保运行安全与性能。
• 采用两阶段方法：首先建设CEPC（希格斯工厂），然后建设SPPC，以利用现有基础设施并降低整体项目风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计最优的对撞机环，以实现100 TeV质子-质子对撞的高亮度和长期稳定性？
• RQ2 如何推进超导磁体技术，以在保持成本与可靠性的同时实现16 T的磁场强度？
• RQ3 在高强质子束流下会面临哪些束流动力学挑战，如何通过准直和阻抗控制加以缓解？
• RQ4 为实现目标亮度10^35 cm^-2s^-1，所需的束流强度和发射度分别是多少？
• RQ5 如何将SPPC整合进CEPC-SPPC的两阶段项目中，以最大化科学回报并最小化技术风险？

主要发现

• SPPC设计在100 TeV中心系能量下实现了10^35 cm^-2s^-1的峰值亮度，使对希格斯玻色子和顶夸克耦合的高精度测量成为可能。
• 采用16 T超导磁体可在保持强聚焦和束流稳定性的前提下，实现紧凑的100公里环形结构。
• 束流动力学模拟证实，束晕控制和准直系统能有效抑制束流损失，并在长时间运行中维持高亮度。
• 通过详细的工程研究（包括射频系统、真空系统和仪器仪表），项目展示了技术可行性。
• 两阶段CEPC-SPPC方法通过复用基础设施和分阶段实施科学计划，显著降低了整体风险与成本。
• 该设计支持广泛的物理研究计划，包括寻找标准模型之外的新物理，如超对称性和复合希格斯模型。