[论文解读] Positron driven muon source for a muon collider

D. Alesini, M. Antonelli+56 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2019

Muon and positron interactions and applications参考文献 18被引用 22

一句话总结

该论文提出了LEMMA概念——一种用于未来μ子对撞机的正电子驱动μ子源，利用高能、低发射度的正电子环，在低Z靶上通过阈值$e^+e^-$碰撞产生μ子对。通过实现高亮度μ子束且最小化发射度增长，并利用多束多次通过，该方案的理论μ子产生效率可达每束团$10^{-5}$，显著减少对冷却系统的需求，并通过优化靶材料和束流动力学，实现高亮度对撞机运行。

ABSTRACT

The design of a future multi-TeV muon collider needs new ideas to overcome the technological challenges related to muon production, cooling, accumulation and acceleration. In this paper a layout of a positron driven muon source known as the Low EMittance Muon Accelerator (LEMMA) concept is presented. The positron beam, stored in a ring with high energy acceptance and low emittance, is extracted and driven to a multi-target system, to produce muon pairs at threshold. This solution alleviates the issues related to the power deposited and the integrated Peak Energy Density Deposition (PEDD) on the targets. Muons produced in the multi-target system will then be accumulated before acceleration and injection in the collider. A multi-target line lattice has been designed to cope with the focusing of both the positron and muon beams. Studies on the number, material and thickness of the targets have been carried out. A general layout of the overall scheme and a description is presented, as well as plans for future R&D.

研究动机与目标

• 解决多TeV级μ子对撞机在μ子产生、冷却和加速方面面临的主要技术挑战。
• 开发一种新型源概念，以最小化μ子发射度增长并减少对大规模冷却系统的依赖。
• 通过利用高能、低发射度的正电子束与优化的低Z靶相互作用，实现高亮度μ子束。
• 评估多束多次通过正电子环方案在高效μ子产生和高重复频率下的可行性。
• 识别束流动力学、靶材料和加速器子系统的关键研发路径，以实现对撞机相关的亮度。

提出的方法

• 利用高能、低发射度的正电子环（PR）储存并提取正电子束团，与多靶系统相互作用。
• 采用由低Z材料（如金属铍、碳、金刚石、液态氢）构成的多靶线，以最大化μ子对产生效率并最小化发射度增长。
• 在中心系能量约0.23 GeV的阈值附近应用$e^+e^- \to \mu^+\mu^-$截面，实现约1 μb的峰值产生效率。
• 优化靶厚度和束流参数，以平衡μ子产额、束流能量展宽和辐射损伤，其中$\rho^{-}l \approx 10^{25}\ \text{cm}^{-2}$为可实现的最大乘积。
• 在正电子环中采用推拉构型，以降低同步辐射功率并支持高电流运行（最高达250 mA），从而提高重复频率。
• 引入双μ子积累环的多束多次通过方案，利用μ子在实验室参考系中的长寿命（约460 μs）实现快速束团堆叠。

实验结果

研究问题

• RQ1 正电子驱动的μ子源是否能够实现足够的μ子产生效率，从而在无需大规模冷却的情况下实现高亮度μ子对撞机？
• RQ2 在μ子产额和发射度增长方面，低Z靶材料（如Be、C、金刚石、液态H）与较重材料相比表现如何？
• RQ3 在辐射Bhabha散射和束流能量损失的约束下，可实现的最大μ子产生效率是多少？
• RQ4 如何优化束流动力学和环形结构设计，以支持多次束流通过和高重复频率？
• RQ5 在低发射度产生基础上，适度冷却在提升亮度方面发挥什么作用？

主要发现

• 由于$\mu^+\mu^-$截面与辐射Bhabha截面之比的限制，理论最大μ子产生效率被限制在每正电子束团$10^{-5}$。
• 与铜等较重材料相比，金属铍、碳和金刚石等低Z材料可实现显著更高的μ子产生效率和更低的发射度增长。
• 单次通过运行下，0.3X（辐射长度）的综合靶厚度为最优，可在μ子产额与束流退化之间实现平衡。
• 在多相互作用点（多-IP）构型中使用液态氢靶，可通过减少束流通过次数和提高有效厚度，使亮度提升约15倍。
• 通过高梯度射频系统和推拉运行，将正电子环电流提高3–4倍，可增加束流通过次数，从而实现亮度的二次方提升。
• 适度冷却（发射度减少1–2个数量级）是可行且有益的，光学随机冷却或晶体冷却为实现进一步发射度控制提供了可行路径。