[论文解读] Positron Sources for Future High Energy Physics Colliders

P. Musumeci, C. Boffo+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本白皮书为未来 e+e− 对撞机提出先进的极化正电子源，聚焦于利用高强度激光实现逆康普顿散射和极化轫致辐射，以生产高流强、高极化的正电子。论文提出紧凑、可扩展的解决方案，如静电阱和脉冲螺线管，以提升正电子产额、极化纯度和束流捕获效率，关键结果表明，使用脉冲螺线管可使捕获率较传统变压器提高30%，正电子极化度最高可达60%。

ABSTRACT

An unprecedented positron average current is required to fit the luminosity demands of future $e^+e^-$ high energy physics colliders. In addition, in order to access precision-frontier physics, these machines require positron polarization to enable exploring the polarization dependence in many HEP processes cross sections, reducing backgrounds and extending the reach of chiral physics studies beyond the standard model. The ILC has a mature plan for the polarized positron source based on conversion in a thin target of circularly polarized gammas generated by passing the main high energy e-beam in a long superconducting helical undulator. Compact colliders (CLIC, C3 and advanced accelerator-based concepts) adopt a simplified approach and currently do not plan to use polarized positrons in their baseline design, but could greatly benefit from the development of compact alternative solutions to polarized positron production. Increasing the positron current, the polarization purity and simplifying the engineering design are all opportunities where advances in accelerator technology have the potential to make a significant impact. This white-paper describes the current status of the field and provides R\&D short-term and long-term pathways for polarized positron sources.

研究动机与目标

• 应对下一代 e+e− 对撞机在亮度与精确物理研究方面对高平均流强、高度极化正电子束的迫切需求。
• 通过开发紧凑、可扩展且高效的替代方案，克服现有正电子源的局限，替代成熟但复杂的 ILC 基线设计。
• 在当前基线中未包含极化正电子的紧凑线性对撞机概念（CLIC、C3、先进加速器）中实现极化控制。
• 通过新型磁性和激光方法，推进加速器技术，以提高正电子捕获效率、束流质量和极化纯度。
• 通过低成本静电阱为未来正电子束技术提供试验平台，验证束流动力学与传输特性，为全尺寸实施提供前期验证。

提出的方法

• 利用圆偏振激光光子与高能电子发生逆康普顿散射（ICS），产生高能、极化的伽马射线，用于正电子对产生。
• 采用高强度、短脉冲激光，结合定制化偏振（如双色脉冲或弱椭圆偏振光束），通过 Breit-Wheeler 过程增强自旋依赖的正电子产生。
• 在转换靶下游采用脉冲螺线管与磁通集中器，与四分之一波变压器相比，将正电子捕获效率提高最多达30%。
• 设计基于高压环形电极与螺线管磁场的静电正电子阱，用于积累和冷却低能正电子，随后压缩并加速至相对论能量。
• 利用相空间匹配技术，结合主动离子等离子透镜与定制磁场所场，改善束流发射度与平坦度，以适配注入阻尼环。
• 通过有效发射度方程模拟束流动力学：$\epsilon_n = \sqrt{\epsilon_{th}^2 + \mathcal{L}^2}$，其中 $\mathcal{L}$ 为本征角动量，以优化束流质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用高强度激光进行逆康普顿散射，能否产生极化度超过60%的极化正电子束？
• RQ2 与传统的四分之一波变压器相比，脉冲螺线管在多大程度上可提升正电子捕获效率？
• RQ3 静电正电子阱能否作为验证正电子束传输与捕获系统的可行缩比试验平台？
• RQ4 在 Breit-Wheeler 过程中，为最大化自旋依赖的正电子产额，最优激光参数（如强度、偏振、谐波成分）为何？
• RQ5 在紧凑型正电子源中，如何控制束流发射度与平坦度，以满足未来直线对撞机的要求？

主要发现

• 与四分之一波变压器相比，脉冲螺线管可将正电子捕获效率提高最多达30%，显著提升束流吞吐量。
• 基于双色脉冲或弱椭圆偏振光束的激光方案可产生极化度超过60%的正电子，模拟结果显示，2-GeV 电子束可实现60%的极化度。
• 静电阱可产生能量高达17.8 MeV、束长压缩至0.2 mm的相对论性、平坦正电子束，适用于束流动力学测试。
• 当热发射度较低时，有效发射度主要由角动量 ($\mathcal{L}$) 主导，从而可生成理想用于 ILC 类应用的平坦束流。
• 理论分析证实，多光子康普顿与 Breit-Wheeler 过程具有自旋敏感性，当激光场通过定制脉冲形状打破对称性时，可实现极化控制。
• 基于5 MeV 电子束或 22Na β 衰变的紧凑型正电子源可实现每秒高达 $10^9$ 个正电子的产生率，为未来研发提供可扩展的试验平台。