[论文解读] Muon Collider Forum Report

K. M. Black, S. Jindariani+184 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 7

一句话总结

本报告全面论证了将多TeV级μ子对撞机作为粒子物理新前沿的必要性，提出在高能、洁净的轻子环境中实现精密测量与新物理发现。报告提出由美国主导的协同计划，推动加速器技术、探测器系统与物理模拟的发展，与国际μ子对撞机合作组织（IMCC）合作，以费米国家加速器实验室（Fermilab）作为未来美国示范装置与概念设计评审（CDR）的首选场地候选。

ABSTRACT

A multi-TeV muon collider offers a spectacular opportunityin the direct exploration of the energy frontier. Offering acombination of unprecedented energy collisions in a comparativelyclean leptonic environment, a high energy muon collider has theunique potential to provide both precision measurements and thehighest energy reach in one machine that cannot be paralleled by anycurrently available technology. The topic generated a lot ofexcitement in Snowmass meetings and continues to attract a largenumber of supporters, including many from the early careercommunity. In light of this very strong interest within the USparticle physics community, Snowmass Energy, Theory and Accelerator Frontiers created a cross-frontier Muon Collider Forum in Novemberof 2020. The Forum has been meeting on a monthly basis and organizedseveral topical workshops dedicated to physics, accelerator technology, and detector R&D. Findings of the Forum are summarizedin this report.

研究动机与目标

• 为多TeV级μ子对撞机建立坚实的科学与技术基础，使其成为美国能量前沿粒子物理计划的核心支柱。
• 协调美国在加速器物理、探测器研发与理论物理领域的工作，以支持未来的概念设计与示范项目。
• 通过与国际μ子对撞机合作组织（IMCC）的整合设计研究与合作，将费米国家加速器实验室（Fermilab）确立为美国μ子对撞机的领先选址。
• 通过重建研发能力并与国际努力保持一致，重振美国高能物理界。
• 在下一次Snowmass进程之前，完成一份针对费米国家加速器实验室选址的μ子对撞机预概念设计报告（pre-CDR）

提出的方法

• 建立美国μ子对撞机合作组织（MCC），将加速器、探测器与理论研究社区统一于单一组织之下，效仿IMCC的模式。
• 利用美国现有在前μ子加速器计划（MAP）中积累的专业知识，重建国家实验室与大学中的研发团队。
• 改进并优化探测器概念（如基于CLIC的设计），同时探索其他设计方案以提升性能并减少束流诱导背景。
• 利用费米国家加速器实验室的模拟工具与美国大学的专业知识，开展先进的束流动力学与背景模拟（BIB）研究，以模拟高能μ子对撞。
• 整合希格斯物理、暗物质、自然性与味物理的理论研究，通过真实事例生成与模拟定义物理依据。
• 通过IMCC开展国际合作，包括参与CERN主导的示范项目与联合技术开发。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计出在最大化物理探测范围与精度的同时，最小化技术风险的高能μ子对撞机？
• RQ2 美国机构如何重建并扩大加速器研发能力，以对IMCC与未来示范项目做出实质性贡献？
• RQ3 在高多重性、高背景的μ子对撞机环境中，哪些探测器技术与构型最适于实现高精度测量？
• RQ4 如何优化束流冷却、加速与相空间调控，以产生高质量、单色的μ子束流用于对撞机运行？
• RQ5 在10TeV级μ子对撞机上，哪些物理研究最具吸引力，特别是希格斯物理、暗物质与g-2方面？

主要发现

• 多TeV级μ子对撞机在洁净的轻子环境中提供了当前任何技术都无法比拟的精密测量与高能物理优势。
• 美国粒子物理界对μ子对撞机概念表现出强烈且持续的兴趣，包括早期职业研究人员与主要机构的积极参与。
• 费米国家加速器实验室（Fermilab）因其现有的加速器基础设施与强大的中微子物理项目，被认定为美国μ子对撞机的首选场地候选。
• 重建美国μ子对撞机合作组织（MCC）并利用MAP的历史经验，可显著加快预CDR设计文件的制定进程。
• 与IMCC合作并参与CERN主导的示范项目，对全球协调与技术验证至关重要。
• 真实物理模拟与探测器优化研究至关重要，其中束流诱导背景（BIB）的抑制被确定为关键技术挑战，需依赖先进模拟技术。