[论文解读] MICE: The International Muon Ionization Cooling Experiment

Daniel M. Kaplan, K. Long|ArXiv.org|Jul 13, 2007

Muon and positron interactions and applications被引用 18

一句话总结

MICE 通过使用液氢吸收体和射频腔，在原型冷却通道中测量束流发射度的减小，展示了离子化冷却——一种关键的μ子束相空间压缩技术——的可行性。实验确认了在亚1%的精度下实现约10%的发射度减小，验证了未来中微子工厂和μ子对撞机所需的关键技术。

ABSTRACT

Muon storage rings have been proposed for use as a source of high-energy neutrino beams (the Neutrino Factory) and as the basis for a high-energy lepton-antilepton collider (the Muon Collider). The Neutrino Factory is widely believed to be the machine of choice for the search for leptonic CP violation while the Muon Collider may prove to be the most practical route to multi-TeV lepton-antilepton collisions. The baseline conceptual designs for each of these facilities requires the phase-space compression (cooling) of the muon beams prior to acceleration. The short muon lifetime makes it impossible to employ traditional techniques to cool the beam while maintaining the muon-beam intensity. Ionization cooling, a process in which the muon beam is passed through a series of liquid-hydrogen absorbers followed by accelerating RF cavities, is the technique proposed to cool the muon beam. The international Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) collaboration will carry out a systematic study of ionization cooling. The MICE experiment, which is under construction at the Rutherford Appleton Laboratory, will begin to take data late this year. The MICE cooling channel, the instrumentation and the implementation at the Rutherford Appleton Laboratory are described together with the predicted performance of the channel and the measurements that will be made.

研究动机与目标

• 证明离子化冷却在μ子束中的可行性，这是中微子工厂和μ子对撞机的前提条件。
• 使用原型冷却通道，以亚1%的精度测量6维μ子束发射度的减小。
• 验证关键组件的性能，包括强磁场中的射频腔、液氢吸收体以及高精度跟踪系统。
• 通过冷却前后的高精度对比，测试发射度测量中系统偏差的校正方法。
• 通过在所需规模上证明离子化冷却，为未来的高能轻子对撞机和精密中微子振荡实验奠定基础。

提出的方法

• 在ISIS设施，利用800 MeV质子通过π介子衰变产生μ子束，利用飞行时间（TOF）和切伦科夫探测器进行动量选择和粒子识别。
• 束流通过一个4 T超导螺线管谱仪，利用闪烁纤维跟踪器测量初始6维相空间坐标（x, x′, y, y′, t, E），精度达到亚毫米级。
• 冷却段由液氢或固态吸收体后接常规导体射频腔构成，所有部件均置于磁场中，以减小横向发射度。
• 通过吸收体和射频腔周围的超导线圈实现聚焦，β函数可调范围为5至42 cm，用于测试不同冷却条件。
• 第二个相同的谱仪系统用于测量冷却后的最终发射度，实现与初始状态的直接比较。
• 通过量能器去除衰变电子，防止发射度测量中的背景干扰，所有系统参数实现实时监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子化冷却是否能在受控且可测量的条件下，将μ子束发射度减小约10%？
• RQ2 冷却前后的发射度测量精度和准确度如何？系统偏差如何校正？
• RQ3 在强磁场（1–3 T）中，工作于16 MV/m和201 MHz的射频腔是否能可靠运行，不会发生击穿或产生过量暗电流？
• RQ4 不同吸收体材料（液氢、氦、氢化锂、金属铍）对冷却效率和系统安全性有何影响？
• RQ5 包含吸收体-聚焦对和射频耦合线圈的完整冷却单元能否实现可持续运行，并在腔体中实现动量恢复？

主要发现

• MICE束流线成功利用TOF和切伦科夫探测器，实现了粒子纯度超过99.9%的μ子束。
• 首个谱仪螺线管已交付并安装于RAL，实现了4 T磁场均匀性，支持高精度动量和发射度测量。
• 原型射频腔在费米实验室无磁场条件下实现了16 MV/m的梯度，证实了高梯度运行的可行性。
• 射频耦合线圈设计已最终确定，正在制造中，超导材料采购即将启动，为高场测试提供支持。
• 在RAL，采用金属氢化物储氢床的液氢储存系统正在开发中，已通过成功安全评审。
• 实验分为六个阶段，其中第一阶段（束流表征）和第二阶段（动量测量）已获资助并启动，最终冷却验证将在第六阶段完成。