[论文解读] Higgs Factory and 100 TeV Hadron Collider: Opportunity for a New World Laboratory within a Decade

S. Assadi, Chase Collins+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2014

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用 12

一句话总结

本文提出了一项成本效益高的10年计划，在已取消的超导超级对撞机（SSC）遗址建设一座新的全球性实验室，利用其现有的80–100公里隧道，建设一台正负电子对撞机（Higgs Factory）和一台100 TeV强子对撞机。通过采用低成本隧道施工、4.5 T超导磁体，并将注入器改造为X射线自由电子激光器，该项目可在十年内实现高能物理和结构生物学的重大进展。

ABSTRACT

Suggestions have been made for a 80-100 km circumference Future Circular Collider (FCC) that could ultimately contain a circular e+e- ring collider operating as a Higgs Factory as well as a 100 TeV hadron collider. Those suggestions have motivated us to propose an approach in which the project is sited at the location at the SSC tunnel, which has the lowest tunnel cost ever. The low tunnel cost would make it cost-effective to locate the 100 TeV Hadron Collider in a 270 km circumference tunne, using 4.5 Tesla superconducting magnets. The SSC tunnel itself would be used to house the Higgs Factory and the injector for the Hadron Collider. The injector for the Higgs Factory would be also used as a driver for an X-ray Free Electron Laser with unique capabilities for protein crystallography. The location of the project at a location with favorable geotechnology for minimum-cost tunneling, and low-cost/low-risk technology for the SRF and superconducting magnets, open the possibility to build the proposed laboratory within a decade.

研究动机与目标

• 探索在十年内利用现有基础设施建设下一代粒子物理实验室的可行性。
• 通过利用已取消的超导超级对撞机（SSC）的80–100公里隧道，降低建设成本。
• 采用4.5 T超导磁体和低风险技术，实现Higgs Factory和100 TeV强子对撞机。
• 利用Higgs Factory注入器作为驱动源，建设一台高重复频率X射线自由电子激光器，以支持先进的蛋白质晶体学研究。
• 建立一个全球可访问的研究设施，在粒子物理和结构生物学领域产生重大科学影响。

提出的方法

• 将已取消的SSC的80–100公里隧道重新利用，建设新的环形对撞机综合体。
• 设计一台使用4.5 T超导磁体、环形周长270公里的100 TeV强子对撞机。
• 在同一隧道内安装一台环形e⁺e⁻对撞机（Higgs Factory），用于精确研究希格斯玻色子。
• 利用Higgs Factory注入器作为驱动源，建设一台高重复频率X射线自由电子激光器（XFEL）。
• 利用SSC遗址有利的地质条件，最大限度降低隧道施工成本和风险。
• 采用低预算、低风险实施策略，集成SRF（超导射频）和超导磁体技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用现有基础设施，在十年内建成成本效益高的高能物理实验室？
• RQ2 SSC隧道遗址是否适合同时容纳Higgs Factory和100 TeV强子对撞机？
• RQ3 Higgs Factory的注入器能否被改造为支持高性能X射线自由电子激光器？
• RQ4 在270公里环形轨道中使用4.5 T超导磁体的技术与经济优势是什么？
• RQ5 SSC遗址的有利地质条件如何降低隧道施工成本和项目风险？

主要发现

• SSC隧道遗址为大型对撞机提供了历史上最低的隧道建设成本，显著降低了整体项目开支。
• 采用4.5 T超导磁体和低风险、低成本技术，可在270公里周长的环形轨道中实现100 TeV强子对撞机的建设。
• Higgs Factory及其注入器系统可集成于同一隧道，实现对希格斯玻色子的精确测量。
• Higgs Factory注入器可被改造为驱动高重复频率X射线自由电子激光器，具备独特的蛋白质晶体学研究能力。
• 有利的地质条件、现有基础设施和成熟技术的结合，使10年建设周期成为可能。
• 所提出的实验室将为粒子物理和结构生物学研究提供一个全球可访问的研究平台。