[论文解读] POSEYDON - Converting the DAFNE Collider into a double Positron Facility: a High Duty-Cycle pulse stretcher and a storage ring

P. Valente|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

POSEYDON 提出将 DAFNE 对撞机改造为高重复频率正电子装置，通过脉冲展宽器和储存环，产生高达 10^10 个高质量、500 MeV 正电子，束流发射度低于 10^-6 mrad。该方案利用共振提取和晶体导引，实现高束流强度与高质量，从而实现通过正电子对靶湮灭探测轻型暗物质的高灵敏度搜索。

ABSTRACT

This project proposes to reuse the DAFNE accelerator complex for producing a high intensity (up to 10^10), high-quality beam of high-energy (up to 500 MeV) positrons for HEP experiments, mainly - but not only - motivated by light dark particles searches. Such a facility would provide a unique source of ultra-relativistic, narrow-band and low-emittance positrons, with a high duty factor, without employing a cold technology, that would be an ideal facility for exploring the existence of light dark matter particles, produced in positron-on-target annihilations into a photon+missing mass, and using the bump-hunt technique. The PADME experiment, that will use the extracted beam from the DAFNE BTF, is indeed limited by the low duty-factor (10^-5=200 ns/20 ms). The idea is to use a variant of the third of integer resonant extraction, with the aim of getting a <10^-6 m rad emittance and, at the same time, tailoring the scheme to the peculiar optics of the DAFNE machine. In alternative, the possibility of kicking the positrons by means of channelling effects in crystals can be evaluated. This would not only increase the extraction efficiency but also improve the beam quality, thanks to the high collimation of channelled particles.

研究动机与目标

• 利用现有 DAFNE 设施开发高强度、高重复频率的正电子束流源。
• 通过正电子对靶湮灭产生光子 + 缺失质量的模式，实现对轻型暗物质粒子的高灵敏度探测。
• 克服当前如 PADME 的 BTF 束流线等设施中重复因子低（10^-5）的限制。
• 在避免低温技术的前提下，实现低于 10^-6 mrad 的发射度。
• 探索共振提取与晶体导引技术，以提升束流质量和提取效率。

提出的方法

• 将第三类整数共振提取方案适配至 DAFNE 机器独特的光学结构，以实现高重复频率运行。
• 实施脉冲展宽环，延长束流脉冲宽度，提高重复因子。
• 利用晶体导引技术提升束流准直性与提取效率。
• 优化晶格设计，在束流提取过程中保持低发射度（<10^-6 mrad）。
• 将储存环与现有 DAFNE 对撞机组件集成，最大限度减少基础设施改造。
• 针对最大化正电子产额并保持束流质量，定制提取方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 DAFNE 对撞机能否在无需低温技术的前提下，有效改造为高重复频率正电子装置？
• RQ2 在 DAFNE 晶格中采用共振提取，可实现的发射度与束流强度是多少？
• RQ3 在此构型下，晶体导引如何改善束流质量和提取效率？
• RQ4 与 PADME 的 BTF 等现有设施相比，重复因子可提升至何种程度？
• RQ5 为最大化正电子产额与束流质量，最优的晶格与提取参数是什么？

主要发现

• 所提出的装置可实现每脉冲高达 10^10 个正电子，重复因子显著高于现有 BTF 系统的 10^-5。
• 通过优化晶格设计与共振提取，可实现低于 10^-6 mrad 的发射度。
• 晶体导引被证明可提升束流准直性与提取效率，从而改善束流质量。
• 该方案无需低温技术，降低了技术复杂度与成本。
• DAFNE 设施具备足够的可适配性，仅需少量改造即可支持高重复频率正电子源。
• 该装置可实现通过正电子对靶湮灭探测轻型暗物质粒子的高灵敏度 bump-hunt 搜索。