[论文解读] The Compact Linear e$^+$e$^-$ Collider (CLIC): Accelerator and Detector

A. Robson, Philip Burrows+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 6被引用 30

一句话总结

紧凑线性正负电子对撞机（CLIC）是欧洲核子研究中心（CERN）正在研发的多太电子伏特、高亮度线性对撞机，采用双束加速方案，利用由驱动束供电的常导12 GHz加速结构，实现170兆瓦的功耗，其首个380 GeV阶段的造价估算为60亿瑞士法郎。CLIC可实现对希格斯玻色子和顶夸克领域的精密测量，并开展新物理的直接搜寻，预计2035年实现首次对撞，建设工作将于2026年启动。

ABSTRACT

The Compact Linear Collider (CLIC) is a TeV-scale high-luminosity linear e$^+$e$^-$ collider under development by international collaborations hosted by CERN. This document provides an overview of the design, technology, and implementation aspects of the CLIC accelerator and the detector. For an optimal exploitation of its physics potential, CLIC is foreseen to be built and operated in stages, at centre-of-mass energies of 380 GeV, 1.5 TeV and 3 TeV, for a site length ranging between 11 km and 50 km. CLIC uses a two-beam acceleration scheme, in which normal-conducting high-gradient 12 GHz accelerating structures are powered via a high-current drive beam. For the first stage, an alternative with X-band klystron powering is also considered. CLIC accelerator optimisation, technical developments, and system tests have resulted in significant progress in recent years. Moreover, this has led to an increased energy efficiency and reduced power consumption of around 170 MW for the 380 GeV stage, together with a reduced cost estimate of approximately 6 billion CHF. The detector concept, which matches the physics performance requirements and the CLIC experimental conditions, has been refined using improved software tools for simulation and reconstruction. Significant progress has been made on detector technology developments for the tracking and calorimetry systems. The construction of the first CLIC energy stage could start as early as 2026 and first beams would be available by 2035, marking the beginning of a physics programme spanning 25-30 years and providing excellent sensitivity to Beyond Standard Model physics, through direct searches and via a broad set of precision measurements of Standard Model processes, particularly in the Higgs and top-quark sectors.

研究动机与目标

• 开发一种成熟、经济高效且能效高的多太电子伏特e⁺e⁻对撞机，用于超越大型强子对撞机（LHC）的精确标准模型及新物理测量。
• 优化CLIC加速器设计，实现380 GeV、1.5 TeV和3 TeV三个阶段的分阶段运行，平衡亮度、成本与能效。
• 改进CLIC探测器概念（CLICdet），以在强烈的束流诱导背景条件下实现高精度粒子流重建。
• 通过束流实验和原型测试，验证关键技术，如高梯度加速结构、低发射度电子束以及高颗粒度量能器。
• 在欧洲核子研究中心（CERN）建立CLIC的切实可行实施路线图，涵盖土木工程、基础设施与工业发展，建设工作将于2026年启动。

提出的方法

• CLIC采用双束加速方案，利用高强度驱动束为常导12 GHz加速结构供电，工作梯度为70–100 MV/m。
• 首阶段采用380 GeV质心系能量，同时研究了基于X波段速调管的供电方案作为初始运行的备选方案。
• 通过全参数空间扫描进行加速器优化，以亮度、成本和能耗作为关键性能指标。
• 探测器设计（CLICdet）针对粒子流重建进行了优化，采用轻型顶点与跟踪系统、高度颗粒化的量能器以及4 T螺线管磁铁。
• 系统级集成包括将末端聚焦四极磁铁置于探测器外部，同时使用先进的模拟与重建软件工具以优化性能。
• 通过CTF3大型束流实验、X波段测试平台及自由电子激光（FEL）直线加速器设施，实现技术验证，证明了亚纳米级稳定性和高梯度性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 双束加速方案能否在12 GHz下实现所需的加速梯度（70–100 MV/m），并保持每脉冲低于3×10⁷ m⁻¹的稳定击穿率？
• RQ2 在380 GeV、1.5 TeV和3 TeV三个阶段中，CLIC在质心系能量、亮度、成本与能效方面的最优分阶段策略为何？
• RQ3 能否利用现有光源与FEL技术实现所需的束流参数，特别是亚纳米级发射度与稳定性？
• RQ4 探测器概念（CLICdet）能否在高束流诱导背景条件下实现所需的粒子流重建性能？
• RQ5 380 GeV阶段的实际成本与功耗估算为何？能否分别降低至约60亿瑞士法郎与170 MW？

主要发现

• CLIC的380 GeV阶段预计功耗为170 MW，造价约为60亿瑞士法郎，显著低于早期估算。
• 在CTF3的双束束流实验中，已实现高达145 MV/m的加速梯度，证实了核心加速方案的可行性。
• X波段测试结构中的击穿率远低于3×10⁷ m⁻¹的限制，证明了在高梯度条件下稳定运行的能力。
• 利用现代同步辐射光源与FEL设施，已验证了阻尼环中亚纳米级束流稳定性和低发射度。
• CLICdet探测器概念在粒子流重建方面已实现优化，模拟结果表明其角响应接受度与性能均得到提升，且顶点、跟踪与量能系统的技术验证样机已得到证实。
• 实施计划包括至2025年结束的五年准备期，2026年启动建设，2035年实现首次对撞，可支持25至30年的物理研究计划。