[论文解读] Muon Colliders

J P Delahaye, M. Diemoz+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Muon and positron interactions and applications被引用 52

一句话总结

本文评述 μ子对撞机作为未来的能量前沿轻子对撞机的物理潜力、设计概念、研发进展和建议，包括质子驱动和正电子驱动（LEMMA）方法，并讨论背景和探测器考虑因素。

ABSTRACT

Muon colliders have a great potential for high-energy physics. They can offer collisions of point-like particles at very high energies, since muons can be accelerated in a ring without limitation from synchrotron radiation. However, the need for high luminosity faces technical challenges which arise from the short muon lifetime at rest and the difficulty of producing large numbers of muons in bunches with small emittance. Addressing these challenges requires the development of innovative concepts and demanding technologies. The document summarizes the work done, the progress achieved and new recent ideas on muon colliders. A set of further studies and actions is also identified to advance in the field. Finally, a set of recommendations is listed in order to make the muon technology mature enough to be favourably considered as a candidate for high-energy facilities in the future.

研究动机与目标

• 评估 μ子对撞机在多TeV能量下相对于强子对撞机和轻子对撞机的物理潜力。
• 概述技术挑战，特别是 μ子寿命、冷却和背景管理，并提出概念设计。
• 总结现有的 μ子对撞机概念（质子驱动和正电子驱动/LEMMA）及其所需的研发路线图。
• 评估来自 μ子衰变和中微子辐射的探测器背景及其对场地选址的影响。
• 就国际合作与走向概念设计报告的路线图提出战略性建议。

提出的方法

• 比较 μ子对撞机的能量覆盖与质子-质子对撞机，以说明在轻子层面的直接能量可用性。
• 描述质子驱动和正电子驱动(LEMMA)方案及其关键组件，包括冷却、加速和高场磁体。
• 总结来自 MAP、MICE 及相关研究在磁场中的射频、离子化冷却概念和高场磁体方面的研发进展。
• 基于 MAP 研究，讨论机-探测界面与背景抑制策略。
• 提供面向 CDR 的国际合作与分阶段研究的战略计划和建议。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可比能量下，μ子对撞机在直接和间接新物理方面的潜在覆盖范围如何，与强子对撞机相比？
• RQ2 多TeV μ子对撞机的主要技术挑战（冷却、寿命、背景）以及可行解决方案是什么？
• RQ3 质子驱动和正电子驱动(LEMMA)方法在可行性、光度和背景影响方面的比较如何？
• RQ4 来自 μ子衰变和中微子辐射背景的探测器和选址考虑有哪些，以及如何缓解？
• RQ5 为推动 μ子对撞机技术走向概念设计报告，需要怎样的路线图与国际合作结构？

主要发现

• μ子对撞机为硬碰撞提供完整的质心能量，在某些比较中潜在覆盖范围与100 TeV质子对撞机相当，甚至在高质量能量末态方面优于它们。
• 在多TeV尺度实现高光度需要显著的6D冷却和快速加速以降低 μ子衰减损失，推动对冷却通道和高场磁体的强烈研发。
• 讨论了两种主要方案：一个是带有广泛冷却和快速加速的质子驱动方案，另一个是低发射度 μ子加速器(LEMMA)正电子驱动方案，旨在通过在不冷却的情况下产生低发射度 μ子来缓解背景。
• 来自 μ子衰变的束背景及相关探测器屏蔽是关键的设计驱动，需大孔径磁体和复杂的屏蔽策略，正在进行的 MAP 研究提供可行性信息。
• 衰变中微子背景带来放射学约束，可能限制最终对撞机能量和场址深度，推动缓解概念以及 LEMMA 在降低中微子辐射方面的潜在优势。
• 分阶段、国际协调的研发工作至关重要，包括类似 MICE 的演示，以及推进 μ子对撞机概念的 CDR 可行性研究。