[论文解读] Low emittance pion beams generation from bright photons and relativistic protons

L. Serafini, C. Curatolo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 13被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种新型混合质子-光子对撞机（HPC），利用超亮X射线自由电子激光器（XFELs）与大型强子对撞机（LHC）或未来环形对撞机（FCC）的高能质子束，在高度洛伦兹Boost的参考系中通过光致π介子产生，生成低发射度的π介子束。该方法实现了横向发射度为4–8 mm·mrad、前向准直角小于150 μrad的π介子束，从而为未来对撞机应用提供高亮度的μ子和中微子束。

ABSTRACT

Present availability of high brilliance photon beams as those produced by X-ray Free Electron Lasers in combination with intense TeV proton beams typical of the Large Hadron Collider makes it possible to conceive the generation of pion beams via photo-production in a highly relativistic Lorentz boosted frame: the main advantage is the low emittance attainable and a TeV-class energy for the generated pions, that may be an interesting option for the production of low emittance muon and neutrino beams. We will describe the kinematics of the two classes of dominant events, i.e. the pion photo-production and the electron/positron pair production, neglecting other small cross-section possible events like Compton and muon pair production. Based on the phase space distributions of the pion and muon beams we will analyze the pion beam brightness achievable in three examples, based on advanced high efficiency high repetition rate FELs coupled to LHC or Future Circular Collider (FCC) proton beams, together with the study of a possible small scale demonstrator based on a Compton Source coupled to a Super Proton Synchrotron (SPS) proton beam.

研究动机与目标

• 解决传统方法中通过质子轰击固体靶产生的π介子束发射度过高问题，该问题限制了未来μ子对撞机中μ子束的质量。
• 利用现代XFEL的高亮度与LHC或FCC的高能、高流强质子束，在相对论性洛伦兹Boost参考系中实现高效的π介子产生。
• 证明通过质子-光子对撞产生的π介子束可实现极低的横向发射度与高准直性，从而实现高亮度的次级束流。
• 探索利用这些高质量π介子的衰变生成低发射度μ子和中微子束的可行性。
• 评估利用康普顿光源与SPS质子束的小型演示装置作为HPC概念的原理验证的潜力。

提出的方法

• 利用相对论性质子束（LHC中为7 TeV，FCC中为50 TeV）与超亮、高重复频率的X射线FEL光子束（3–20 keV，每脉冲>10¹³个光子）对撞，通过反应 p + hν → π⁺ + n 实现π介子光致产生。
• 依赖质子静止参考系的洛伦兹Boost效应，使低能光子在实验室系中表现为等效能量高达数GeV的高能光子，从而在实验室系光子能量较低的情况下仍能有效实现π介子产生的阈值以上反应。
• 应用FEL尺度定律与模拟估算光子通量与亮度，实现约10 μm的光斑尺寸，以最大化对撞点的亮度。
• 利用相对论性运动学与截面数据（例如，等效能量300 MeV时π介子光致产生截面σ ≈ 220 μbarn）对次级粒子（π介子、μ子、e⁺e⁻对）的相空间分布进行建模。
• 考虑级联反应过程：质子-光子对撞产生的次级e⁺e⁻对可能进一步与FEL光子相互作用，通过e⁺e⁻ + hν → e⁺e⁻ + μ⁺μ⁻ 反应产生μ子对，其截面约为30 nbarn。
• 通过分析在Boost参考系中次级束流的前向发射角与发射度，评估束流亮度与准直性，高能束流的角展宽可低至~10 μrad。

实验结果

研究问题

• RQ1 超亮、高重复频率的XFEL与TeV量级质子束是否能生成显著低于传统固体靶方法的π介子束发射度？
• RQ2 相对论性质子的洛伦兹Boost参考系在多大程度上增强了有效光子能量，从而提高π介子光致产生的效率？
• RQ3 在该质子-光子对撞机设置中，生成的π介子束可实现的横向发射度与角发散度是多少？
• RQ4 π介子束的高准直性与低发射度是否能实现通过π介子衰变产生高亮度μ子与中微子束？
• RQ5 通过次级e⁺e⁻对与FEL光子相互作用实现级联μ子对产生的潜力如何？其效率与直接π介子产生相比如何？

主要发现

• HPC构型的亮度超过10³⁸ cm⁻²s⁻¹，尽管π介子光致产生截面较低（约220 μbarn），但得益于FEL光束的高亮度，仍可实现高效对撞。
• 基于LHC的HPC构型生成的π介子束横向发射度为4–8 mm·mrad，且在小于150 μrad的前向角度内高度准直。
• 对于基于FCC的HPC，由于质子能量更高（50 TeV），π介子束发散角进一步减小至10 μrad以下，实现更高度准直的束流。
• 在LHC情况下，π介子束能量可达2.5 TeV；在FCC情况下，能量高达19.1 TeV，为生成高能μ子与中微子束提供了理想的次级束流。
• 通过π介子衰变产生的μ子继承了母π介子的低发射度与高准直性，发散角在数十μrad量级，非常适合μ子对撞机应用。
• 通过次级e⁺e⁻对与FEL光子的级联μ子对产生，每秒可产生约~5对μ子，尽管其前向准直性极强（约0.3 μrad），表明尽管速率较低，仍具备生成高亮度束流的潜力。