Kompaktowy Zderzacz Liniowy - Compact Linear Collider
Kompaktowa liniowa High Speed ( CLIC ) jest koncepcja przyszłego cząstek akceleratora liniowego , która ma na celu zbadanie następnego energii granicy. CLIC zderzałby elektrony z pozytonami i jest obecnie jedyną dojrzałą opcją dla zderzacza liniowego o wielu TeV . Akcelerator miałby długość od 11 do 50 km (7 do 31 mil), czyli ponad dziesięć razy dłuższy niż istniejący Stanford Linear Accelerator (SLAC) w Kalifornii w USA. Proponuje się budowę CLIC w CERN , po drugiej stronie granicy francusko - szwajcarskiej w pobliżu Genewy , z pierwszymi wiązkami, które rozpoczną się przed zakończeniem działalności Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) około 2035 roku.
Akcelerator CLIC wykorzystywałby nowatorską technikę przyspieszania dwuwiązkową przy gradiencie przyspieszenia wynoszącym 100 M V /m, a jego etapowa konstrukcja zapewniałaby zderzenia przy trzech energiach środka masy do 3 TeV w celu uzyskania optymalnego zasięgu fizycznego . Prowadzone są prace badawczo-rozwojowe (R&D), aby osiągnąć cele fizyki wysokiej precyzji w trudnych warunkach wiązki i tła .
CLIC ma na celu odkrywanie nowych poza fizykę Model Standardowy fizyki cząstek, za pośrednictwem precyzyjnych pomiarów w standardowym modelu własności, jak również bezpośredniego wykrywania nowych cząstek. Zderzacz oferowałby wysoką czułość na stany elektrosłabe , przekraczając przewidywaną precyzję pełnego programu LHC. Obecna konstrukcja CLIC zawiera możliwość polaryzacji wiązki elektronów .
W ramach współpracy z CLIC opracowano raport dotyczący projektu koncepcyjnego (CDR) w 2012 r., uzupełniony zaktualizowanym scenariuszem stopniowania energii w 2016 r. Dodatkowe szczegółowe badania przypadku CLIC w zakresie fizyki, zaawansowany projekt kompleksu akceleratora i detektora, a także liczne badania i rozwój wyniki są podsumowane w niedawnej serii żółtych raportów CERN.
Tło
Istnieją dwa główne typy zderzaczy cząstek, które różnią się rodzajem zderzanych cząstek: zderzacze leptonowe i zderzacze hadronowe . Każdy typ zderzacza może wytwarzać różne stany końcowe cząstek i badać różne zjawiska fizyczne. Przykładami zderzaczy hadronów są ISR , SPS i LHC w CERN oraz Tevatron w USA. Przykładami zderzaczy leptonowych są SuperKEKB w Japonii, BEPC II w Chinach, DAFNE we Włoszech, VEPP w Rosji, SLAC w USA oraz Wielki Zderzacz Elektron-Pozytron w CERN. Niektóre z tych zderzaczy leptonów nadal działają.
Hadrony to obiekty złożone, które prowadzą do bardziej skomplikowanych zdarzeń kolizyjnych i ograniczają osiągalną precyzję pomiarów fizycznych. Zderzacze Leptona zderzają cząstki fundamentalne , dzięki czemu stan początkowy każdego zdarzenia jest znany i można uzyskać większą precyzję pomiarów.
Trzy etapy energetyczne
Przewiduje się, że CLIC będzie budowany i eksploatowany w trzech etapach z różnymi energiami w środku masy: 380 GeV, 1,5 TeV i 3 TeV. Oczekuje się, że zintegrowane jasności na każdym etapie wyniosą odpowiednio 1 ab -1 , 2,5 ab -1 i 5 ab -1 , zapewniając szeroki program fizyki w okresie 27 lat. Te energie środka masy zostały umotywowane aktualnymi danymi LHC i badaniami potencjału fizycznego przeprowadzonych w ramach badania CLIC.
Już przy 380 GeV, CLIC dobrze pokrywa fizykę Modelu Standardowego ; etapy energetyczne poza tym pozwalają na odkrycie nowej fizyki, a także zwiększoną precyzję pomiarów procesów Modelu Standardowego . Dodatkowo, CLIC będzie działać przy progu produkcji pary kwarków górnych około 350 GeV w celu precyzyjnego pomiaru właściwości kwarka górnego.
Fizyka dla CLIC
CLIC umożliwiłaby eksplorację nowych zakresów energii, dostarczyłaby możliwych rozwiązań problemów bez odpowiedzi i umożliwiłaby odkrywanie zjawisk wykraczających poza nasze obecne zrozumienie.
Fizyka Higgsa
Aktualne dane LHC sugerują, że cząstka znaleziona w 2012 roku jest bozonem Higgsa, jak przewiduje Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Jednak LHC może tylko częściowo odpowiedzieć na pytania dotyczące prawdziwej natury tej cząstki, takie jak jej złożony/podstawowy charakter, siły sprzężenia i możliwą rolę w rozszerzonym sektorze elektrosłabym. CLIC może dokładniej zbadać te pytania, mierząc sprzężenia Higgsa z precyzją nieosiąganą wcześniej. Stopień 380 GeV w CLIC umożliwia na przykład dokładne, niezależne od modelu pomiary sprzężeń bozonu Higgsa z fermionami i bozonami w procesach produkcji Higgsstrahlung i WW-fusion. Drugi i trzeci etap dają dostęp do zjawisk, takich jak sprzężenie top-Yukawa , rzadkie rozpady Higgsa i samosprzęganie Higgsa.
Fizyka górnych kwarków
Kwark górny, najcięższy ze wszystkich znanych cząstek elementarnych, nigdy nie był badany w zderzeniach elektron - pozyton . Liniowy zderzacz CLIC planuje mieć rozbudowany program fizyki kwarków górnych. Głównym celem tego programu byłoby skanowanie progowe wokół progu produkcji pary kwarków górnych (~350 GeV) w celu precyzyjnego określenia masy i innych istotnych właściwości kwarka górnego. Na ten skan CLIC obecnie planuje poświęcić 10% czasu działania pierwszego etapu, zbierając 100 fb -1 . Badanie to pozwoliłoby na ustalenie masy kwarka górnego w teoretycznie dobrze zdefiniowany sposób iz większą precyzją niż to możliwe w przypadku zderzaczy hadronów. Celem CLIC byłoby również zmierzenie sprzężeń elektrosłabych kwarków górnych z bozonem Z i fotonem, ponieważ odchylenia tych wartości od przewidywanych przez Model Standardowy mogą świadczyć o nowych zjawiskach fizycznych, takich jak dodatkowe wymiary. Dalsze obserwacje rozpadów kwarków górnych z prądami neutralnymi zmieniającymi smak w CLIC byłyby pośrednią wskazówką nowej fizyki, ponieważ CLIC nie powinna ich zaobserwować zgodnie z obecnymi przewidywaniami Modelu Standardowego .
Nowe zjawiska
CLIC może odkryć nowe zjawiska fizyczne poprzez pomiary pośrednie lub bezpośrednią obserwację. Duże odchylenia w precyzyjnych pomiarach właściwości cząstek od przewidywań Modelu Standardowego pośrednio sygnalizowałyby obecność nowej fizyki. Takie pośrednie metody dają dostęp do skal energetycznych znacznie wykraczających poza dostępną energię zderzeń, osiągając czułości dochodzące do kilkudziesięciu TeV.
Przykłady pomiarów pośrednich, które CLIC byłby w stanie wykonać przy 3 TeV, to: wykorzystanie produkcji par mionów w celu dostarczenia dowodów na istnienie bozonu Z′ (zasięg do ~30 TeV) wskazującego na proste rozszerzenie miernika poza Model Standardowy ; wykorzystanie wektorowego rozpraszania bozonów w celu uzyskania wglądu w mechanizm łamania symetrii elektrosłabej; oraz wykorzystanie kombinacji kilku stanów końcowych w celu określenia elementarnej lub złożonej natury bozonu Higgsa (zasięg skali złożoności do ~50 TeV).
W CLIC możliwa jest bezpośrednia produkcja par cząstek do masy 1,5 TeV oraz produkcja pojedynczych cząstek do masy 3 TeV. Dzięki czystemu środowisku zderzaczy elektronowo-pozytonowych projekt CLIC byłby w stanie mierzyć właściwości tych potencjalnych nowych cząstek z bardzo dużą precyzją. Przykładami cząstek, które CLIC można bezpośrednio obserwować przy 3 TeV, są niektóre z tych proponowanych przez teorię supersymetrii : charginos , neutralinos (oba ~≤ 1,5 TeV) i sleptony (≤ 1,5 TeV).
Belki i akceleratory
Aby osiągnąć pożądaną energię wiązki 3 TeV, przy zachowaniu kompaktowej długości akceleratora, CLIC ma na celu przyspieszenie gradientu do 100 MV/m. CLIC opiera się na normalnie przewodzących wnękach akceleracyjnych pracujących w temperaturze pokojowej , ponieważ pozwalają one na wyższe gradienty przyspieszenia niż wnęki nadprzewodnikowe . W przypadku tej technologii głównym ograniczeniem jest współczynnik przebicia wysokiego napięcia (BDR), który jest zgodny z prawem empirycznym , gdzie jest gradientem przyspieszenia i długością impulsu RF. Wysokie przyspieszenie gradientu a wartość docelową BDR (3 x 10 -7 impulsów -1 m -1 ) napędu większość wiązki parametru s i urządzenia konstrukcji.
| Parametr | Symbol | Jednostka | Scena 1 | Etap 2 | Etap 3 |
|---|---|---|---|---|---|
| Energia środka masy | GeV | 380 | 1500 | 3000 | |
| Częstotliwość powtarzania | ƒ rep | Hz | 50 | 50 | 50 |
| Liczba pęczków na pociąg | n b | 352 | 312 | 312 | |
| Separacja pęczków | Δ t | ns | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Długość impulsu | RF | ns | 244 | 244 | 244 |
| Przyspieszenie gradientu | g | MV/m | 72 | 72/100 | 72/100 |
| Całkowita jasność | L | 10 34 cm -2 s -1 | 1,5 | 3,7 | 5,9 |
| Jasność powyżej 99% | L 0,01 | 10 34 cm -2 s -1 | 0,9 | 1,4 | 2 |
| Całkowita zintegrowana jasność na rok | L wewn | fb- 1 | 180 | 444 | 708 |
| Długość głównego tunelu linak | km | 11,4 | 29,0 | 50,1 | |
| Liczba cząstek na pęczek | n | 10 9 | 5.2 | 3,7 | 3,7 |
| Długość wiązki | σ z | μm | 70 | 44 | 44 |
| Rozmiar wiązki IP | σ x / σ y | Nm | 149/2,9 | ∼60/1,5 | ∼40/1 |
| Znormalizowana emitancja (koniec linak) | ε x /ε y | Nm | 900/20 | 660/20 | 660/20 |
| Końcowy rozrzut energii RMS | % | 0,35 | 0,35 | 0,35 | |
| Kąt skrzyżowania (w IP) | mrad | 16,5 | 20 | 20 |
Aby osiągnąć te wysokie gradienty przyspieszenia przy zachowaniu przystępnego zużycia energii, CLIC wykorzystuje nowatorski schemat przyspieszania dwóch wiązek: tak zwana wiązka napędowa biegnie równolegle do zderzającej się wiązki głównej. Wiązka napędowa jest spowalniana w specjalnych urządzeniach zwanych strukturami ekstrakcji i transferu mocy (PETS), które pobierają energię z wiązki napędowej w postaci potężnych fal o częstotliwości radiowej (RF), które są następnie wykorzystywane do przyspieszania wiązki głównej. Do 90% energii belki napędowej jest wydobywane i efektywnie przekazywane do belki głównej.
Główna wiązka
Elektrony potrzebne do wiązki głównej są wytwarzane przez oświetlanie katody typu GaAs laserem spolaryzowanym z przełączaniem Q i są spolaryzowane wzdłużnie na poziomie 80%. Pozytronowej s dla świateł drogowych są wytwarzane przez wysłanie 5 GeV wiązki elektronów na wolframu celu. Po początkowym przyspieszeniu do 2,86 GeV zarówno elektrony, jak i pozytony wchodzą do pierścieni tłumiących w celu redukcji emitancji poprzez tłumienie promieniowania . Obie wiązki są następnie dalej przyspieszane do 9 GeV we wspólnym wzmacniaczu liniowym. Długie linie transferowe transportują dwie wiązki na początek głównych linaków, gdzie są one przyspieszane do 1,5 TeV przed przejściem do systemu dostarczania wiązki (BDS), który ściska i doprowadza wiązki do kolizji. Dwie wiązki zderzają się OD z 20 m rad skrzyżowania pod kątem w płaszczyźnie poziomej.
Wiązka napędowa
Każdy kompleks wiązki napędowej składa się z liniak o długości 2,5 km, za którym znajduje się kompleks rekombinacji wiązki napędowej: system linii opóźniających i pierścieni łączących, w których impulsy wiązki przychodzącej są przeplatane, aby ostatecznie utworzyć sekwencję 12 GHz i lokalny prąd wiązki jako do 100 A . Każdy o długości 2.5 km Napęd wiązki akceleratora liniowego jest zasilany przez 1 GHz klistron s . W ten sposób powstaje wiązka o długości 148 μs (dla scenariusza ze stopniem energii 1,5 TeV) o częstotliwości grupowania 0,5 GHz. Co 244 ns faza grupowania jest przełączana o 180 stopni, tzn. kubełki nieparzyste i parzyste przy 1 GHz są napełniane naprzemiennie. To kodowanie fazowe umożliwia pierwszą rekombinację dwóch czynników: nieparzyste pęczki są opóźnione w pętli opóźniającej (DL), podczas gdy pęczki parzyste omijają je. Czas przelotu DL wynosi około 244 ns i ustawione na poziomie pikosekund taki sposób, że dwa zespoły pęczków może łączyć, tworząc szereg 244 NS długich pociągów o zbijanie częstotliwości 1 GHz, oddzielone przez 244 ns pustej przestrzeni. Ta nowa struktura czasowa pozwala na dalszą rekombinację czynnika 3 i czynnika 4 w kolejnych pierścieniach łączących z podobnym mechanizmem jak w DL. Ostateczna struktura czasu wiązki składa się z kilku (do 25) 244 ns ciągów pęczków o częstotliwości 12 GHz, rozmieszczonych w odstępach około 5,5 μs. Rekombinacja jest zsynchronizowana w taki sposób, że każdy połączony pociąg dociera do własnego sektora zwalniacza, zsynchronizowany z przybyciem wiązki głównej. Zastosowanie klistronów o niskiej częstotliwości (1 GHz) o długich impulsach (148 μs) do przyspieszania wiązki napędowej i rekombinacji wiązki sprawia, że jest to wygodniejsze niż używanie klistronów do bezpośredniego przyspieszania wiązki głównej.
.jpg)
Obiekty testowe
Główne wyzwania technologiczne związane z projektowaniem akceleratora CLIC zostały z powodzeniem rozwiązane w różnych obiektach testowych. Produkcję i rekombinację wiązki napędowej oraz koncepcję przyspieszenia dwóch wiązek zademonstrowano w CLIC Test Facility 3 (CTF3) . Źródła RF wysokiej mocy oparte na klistronie w paśmie X zostały zbudowane etapami w wysokogradientowym obiekcie testowym pasma X (XBOX) w CERN. Urządzenia te zapewniają moc i infrastrukturę RF wymaganą do kondycjonowania i weryfikacji wydajności struktur przyspieszających CLIC oraz innych projektów opartych na paśmie X. Dodatkowe testy wysokogradientowe w paśmie X są przeprowadzane w zakładzie NEXTEF w KEK i SLAC , nowe stanowisko testowe jest uruchamiane na Uniwersytecie Tsinghua, a kolejne stanowiska testowe są budowane w INFN Frascati i SINAP w Szanghaju.
Detektor CLIC
Najnowocześniejszy detektor jest niezbędny do wykorzystania pełnego potencjału fizycznego CLIC. Obecny projekt detektora, nazwany CLICdet, został zoptymalizowany poprzez pełne badania symulacyjne oraz działania badawczo-rozwojowe. Detektor jest zgodny ze standardową konstrukcją detektorów cząstek wielkocząsteczkowych w zderzaczach o wysokiej energii: cylindryczna objętość detektora o konfiguracji warstwowej, otaczająca oś wiązki. CLICdet miałby wymiary ~13 x 12 m (wysokość x długość) i ważyłby ~8000 ton.
Warstwy detektora
CLICdet składa się z czterech głównych warstw o rosnącym promieniu: systemu wierzchołków i śledzenia, kalorymetrów , magnesu elektromagnetycznego oraz detektora mionów .
System wierzchołków i śledzenia znajduje się w najbardziej wewnętrznym obszarze CLICdet i ma na celu wykrywanie położenia i pędu cząstek z minimalnym niekorzystnym wpływem na ich energię i trajektorię . Detektor wierzchołkowy jest cylindryczny z trzema podwójnymi warstwami materiałów detektora o rosnących promieniach i ma trzy segmentowe dyski na każdym końcu w układzie spiralnym, aby wspomóc chłodzenie przepływem powietrza. Zakłada się, że są one wykonane z krzemowych pikseli 25x25 μm2 o grubości 50 μm, a celem jest uzyskanie rozdzielczości pojedynczego punktu 3 μm. System śledzący składa się z krzemowych modułów czujnikowych o spodziewanej grubości 200 μm.
Kalorymetry otaczają wierzchołek i system śledzenia i mają na celu pomiar energii cząstek poprzez absorpcję. Kalorymetr elektromagnetyczny (ECAL) składa się z ~40 warstw krzemu/wolframu w strukturze wielowarstwowej; kalorymetr hadronowy (HCAL) ma 60 stalowych płyt absorbera z umieszczonym pomiędzy nimi materiałem scyntylacyjnym .
Te wewnętrzne warstwy CLICdet są otoczone nadprzewodzącym magnesem solenoidowym o natężeniu pola 4 T . To pole magnetyczne ugina naładowane cząstki, umożliwiając pomiary pędu i ładunku . Magnes jest następnie otoczony żelaznym jarzmem, które zawierałoby detektory o dużej powierzchni służące do identyfikacji mionów.
Detektor posiada również kalorymetr jasności (LumiCal) do pomiaru produktów rozpraszania Bhabha , kalorymetr wiązkowy do uzupełnienia pokrycia ECAL do kąta biegunowego 10 mradów oraz system sprzężenia zwrotnego wewnątrz pociągu do przeciwdziałania utracie jasności z powodu względnej wiązki odsunięcia belek.
Pulsowanie mocy i chłodzenie
Surowe wymagania dotyczące budżetu materiałowego dla systemu wierzchołków i śledzenia nie pozwalają na stosowanie konwencjonalnych systemów chłodzenia cieczą dla CLICdet. Dlatego proponuje się, aby w tym obszarze wewnętrznym zastosowano system chłodzenia suchym gazem. W konstrukcji detektora uwzględniono szczeliny powietrzne, aby umożliwić przepływ gazu , którym będzie powietrze lub azot . Aby umożliwić efektywne chłodzenie powietrzem, należy obniżyć średni pobór mocy czujników silikonowych w detektorze wierzchołkowym. W związku z tym czujniki te będą działać w oparciu o schemat pulsowania mocy oparty na prądzie: przełączanie czujników ze stanu wysokiego do niskiego zużycia energii, gdy tylko jest to możliwe, odpowiadającego częstotliwości przejazdu pasma 50 Hz.
Status
Od 2017 r. około 2% rocznego budżetu CERN jest inwestowane w rozwój technologii CLIC. Koszt pierwszego etapu CLIC o długości około 11 km (7 mil) szacuje się obecnie na sześć miliardów CHF. CLIC to globalny projekt obejmujący ponad 70 instytutów w ponad 30 krajach. Składa się z dwóch form współpracy: detektora CLIC i współpracy fizyki (CLICdp) oraz badania akceleratorowego CLIC. CLIC jest obecnie w fazie rozwoju, prowadząc badania wydajności części i systemów akceleratorów, badania nad technologią detektorów i optymalizację oraz analizy fizyczne. Równolegle partnerzy współpracują ze społecznością teoretyków, aby ocenić potencjał fizyczny CLIC.
W ramach projektu CLIC przedłożono dwa zwięzłe dokumenty jako wkład do następnej aktualizacji Europejskiej Strategii Fizyki Cząstek (ESPP) podsumowującej potencjał fizyczny CLIC oraz stan projektów akceleratorów i detektorów CLIC. Aktualizacja ESPP jest procesem obejmującym całą społeczność, który ma zakończyć się w maju 2020 r. publikacją dokumentu strategicznego.
Szczegółowe informacje na temat projektu CLIC są dostępne w żółtych raportach CERN, na temat potencjału CLIC dla nowej fizyki, planu wdrożenia projektu CLIC oraz technologii detektorów dla CLIC. Przegląd znajduje się w raporcie podsumowującym CLIC 2018.
Zobacz też
Bibliografia
Linki zewnętrzne
-
Multimedia związane z Compact Linear Collider w Wikimedia Commons - Akcelerator CLIC: strona internetowa badania CLIC [1] , dokumenty i publikacje badawcze CLIC [2]
- Detektor CLIC i fizyka: witryna CLICdp [3] , dokumenty i publikacje CLICdp [4] , strona FAQ witryny CLICdp [5]
- Zaktualizowane dokumenty dotyczące realizacji projektu (2018) [6]
- Raporty z projektu koncepcyjnego CLIC:
- Artykuły i filmy na temat CLIC: CLIC [10] , CLICdp [11] , CERN CLIC test unit [12]
