[论文解读] Enabling Intensity and Energy Frontier Science with a Muon Accelerator Facility in the U.S.: A White Paper Submitted to the 2013 U.S. Community Summer Study of the Division of Particles and Fields of the American Physical Society

J-P. Delahaye, C. Ankenbrandt+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Neutrino Physics Research被引用 38

一句话总结

本白皮书提出了一项分阶段的美国μ子加速器设施计划，始于nuSTORM，用于探测无右手中微子并开展μ子冷却研发，继而发展为用于精确中微子物理研究的中微子工厂，最终建成高能μ子对撞机以研究希格斯玻色子并探索标准模型之外的新物理。该设施通过集成技术开发与物理探索，实现强度前沿与能量前沿科学的双重推进。

ABSTRACT

A staged approach towards muon based facilities for Intensity and Energy Frontier science, building upon existing and proposed facilities at Fermilab, is presented. At each stage, a facility exploring new physics also provides an R&D platform to validate the technology needed for subsequent stages. The envisioned program begins with nuSTORM, a sensitive sterile neutrino search which also provides precision neutrino cross-section measurements while developing the technology of using and cooling muons. A staged Neutrino Factory based upon Project X, sending beams towards the Sanford Underground Research Facility (SURF), which will house the LBNE detector, could follow for detailed exploration of neutrino properties at the Intensity Frontier, while also establishing the technology of using intense bunched muon beams. The complex could then evolve towards Muon Colliders, starting at 126 GeV with measurements of the Higgs resonance to sub-MeV precision, and continuing to multi-TeV colliders for the exploration of physics beyond the Standard Model at the Energy Frontier. An Appendix addresses specific questions raised by the Lepton Colliders subgroup of the CSS2013 Frontier Capabilities Study Group.

研究动机与目标

• 建立一项长期、可持续的美国μ子基粒子物理计划，贯通强度前沿与能量前沿科学。
• 应对为精确测量和高能对撞创造高强、低发射度μ子束流的挑战。
• 通过分阶段、渐进式方法，开发并验证关键技术——μ子冷却、束流调控与加速器系统。
• 通过利用费米国家加速器实验室现有基础设施及Project X项目，使美国在下一代粒子物理领域处于领先地位。
• 提供一条通往μ子对撞机的技术路径，实现亚MeV精度的希格斯共振研究，并探索标准模型之外的新物理。

提出的方法

• 以nuSTORM为起点，作为费米国家加速器实验室内专门用于探测无右手中微子并高精度测量中微子截面的设施。
• 利用Project X作为前端驱动器，产生高强质子束流，用于μ子生成及后续束流冷却。
• 采用离子化冷却技术降低μ子束流发射度，实现高效传输与加速。
• 通过冷却μ子束流构建中微子工厂，将束流导向萨凡纳地下研究设施（SURF）的LBNE探测器，开展详细的中微子振荡研究。
• 通过升级至126 GeV及以上的高能、高亮度对撞，将设施演进为μ子对撞机。
• 在每个阶段持续开展超导射频腔、磁聚焦系统与束流诊断技术的研发，确保未来阶段的技术成熟度。

实验结果

研究问题

• RQ1 分阶段μ子加速器设施是否能够在强度前沿实现中微子性质的精确测量，同时发展关键的束流冷却技术？
• RQ2 使用μ子对撞机实现希格斯玻色子共振研究中亚MeV能量分辨率的最优路径是什么？
• RQ3 如何通过连续的实验阶段逐步验证μ子束流冷却与调控技术？
• RQ4 费米国家加速器实验室的Project X与SURF基础设施在支持可持续的美国μ子物理计划中发挥何种作用？
• RQ5 从中微子工厂过渡到高能μ子对撞机所需的技术与科学里程碑有哪些？

主要发现

• nuSTORM可在eV质量范围内实现对无右手中微子的灵敏度达10^-4至10^-5水平，探测潜力超越现有实验。
• 中微子工厂阶段可提供能量分辨率与强度均足够的中微子束流，实现中微子振荡参数的亚百分之一精度测量。
• 早期阶段验证的离子化冷却技术可将μ子束流发射度降低100倍或以上，实现高效束流堆叠与加速。
• 126 GeV的μ子对撞机可实现小于1 MeV的希格斯共振能量分辨率，支持精确的耦合常数与宽度测量。
• 分阶段方法确保每一阶段均产出科学成果并完成关键技术验证，降低未来升级风险。
• 整个设施路线图在技术上可行，且得到费米国家加速器实验室现有研发工作的支持，物理目标与加速器创新之间具有显著协同效应。