[论文解读] Expression of Interest in R&D towards a Neutrino Factory Based on a Storage Ring and a Muon Collider

Kirk T. McDonald|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 1999

Neutrino Physics Research参考文献 52被引用 13

一句话总结

本文提出一种基于μ子储存环和μ子对撞机的中微子工厂，利用高功率质子束产生π介子，其衰变产物为μ子，随后对μ子进行冷却、加速并储存于环中，以产生高强度、特性明确的中微子束。其核心贡献在于制定了一套全面的研发路线图，推动加速器物理向高精度中微子工厂和μ子对撞机发展，突出显示了美国与欧洲在关键技术挑战和合作机会方面的关键问题。

ABSTRACT

We are exploring the feasibility of a neutrino factory based on a muon storage ring. In this, beams of nu_mu and nubar_e arise from the decay of mu- particles (or alternatively, nubar_mu and nu_e from mu+). The muons come from the decay of low-energy pions produced by a megawatt proton beam incident on a nuclear target. The muons are captured into a magnetic channel, "cooled" by ionization in liquid hydrogen, accelerated to energy of order 50 GeV, and injected into a storage ring. A nonhorizontal ring can deliver neutrino beams to an on-site detector, as well as to two off-site detectors separated by global distances. Such a neutrino factory is a challenging extension of present accelerator technology. It is also a natural path to a muon collider, in that both facilities share many common elements upstream of their storage rings. Prior to a formal design study, R&D must be performed in several keys areas, such detailed simulations and actual targetry and cooling experiments. This in an excellent opportunity to advance the field of accelerator physics both at national laboratories and at universities.

研究动机与目标

• 建立新一代基于加速器的中微子实验，能够精确测量中微子质量、混合角和CP破坏。
• 解决利用高强度质子束中π介子衰变产生的μ子，生成高强度、准直中微子束的挑战。
• 通过利用储存环上游的共享研发基础设施和技术，为实现μ子对撞机铺平道路。
• 识别并优先考虑关键研发领域——如冷却、射频腔和高功率靶——以确保可行性。
• 倡导美国国家科学基金会（NSF）尽早提供资金支持，以启动大学层面的研发工作，为正式的MRE提案做好准备。

提出的方法

• 使用兆瓦级质子束轰击核靶，通过散裂反应产生π介子。
• 在磁通道中捕获次级μ子，并利用液氢中的离子化冷却技术减小横向发射度。
• 采用相位旋转和循环直线加速器，将μ子从2 GeV加速至50 GeV。
• 将50 GeV的μ子储存在非水平储存环中，通过μ子衰变产生准直的中微子束。
• 利用相同的加速器链同时实现中微子工厂和μ子对撞机，其中储存环为共用组件。
• 在美国和欧洲开展针对性的研发实验，包括π介子产额测量、液氢中μ子散射实验以及射频腔辐射测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 在液氢中进行离子化冷却是否能有效减小μ子发射度，从而实现高效储存和束流生成？
• RQ2 设计能够达到4 MW或更高的高功率质子驱动器和靶系统所面临的关键技术挑战是什么？
• RQ3 如何使射频腔具备抗辐射和抗高场能力，以适用于π介子捕获和相位旋转系统？
• RQ4 在实际辐射和磁场条件下，μ子冷却和加速系统的性能极限是什么？
• RQ5 中微子工厂设计能否扩展为具备足够技术和财务可行性的高精度μ子对撞机？

主要发现

• 来自大气、太阳和加速器源的中微子振荡数据表明，中微子具有质量，并在三种味之间混合，这需要开展新的高精度实验。
• 基于μ子储存环的中微子工厂能够产生特性明确、高强度的中微子束，适用于长基线测量混合角和CP破坏。
• 液氢中的离子化冷却是关键技术，但其性能取决于对材料中大角度μ子散射的精确测量。
• 高功率靶、抗辐射射频腔和π介子产额截面的研发对于设计验证和可行性至关重要。
• 中微子工厂与μ子对撞机在储存环上游共享同一加速器链，从而实现研发共享和成本效益。
• 欧洲和美国的研发计划具有互补性，CERN-PS及其他设施计划开展的实验将解决μ子束流动力学和材料响应中的关键未知问题。