컴팩트 선형 충돌기

Compact Linear Collider
소형 선형 충돌기 프로젝트

콤팩트 선형 충돌기(CLIC)는 차세대 에너지 프론티어 탐사를 목표로 하는 미래 선형 입자 가속기의 개념이다. CLIC는 전자와 양전자를 충돌시킬 수 있으며, 현재 다중 TeV 선형 충돌기에 대한 유일한 성숙한 옵션이다. 그 가속기 것 사이에 11%와 50km(7과 31mi)long,[1]보다 10배 이상 더 오래 기존의 스탠포드 선형 가속기(스탠퍼드 선형)에 캘리포니아, 미국. CLIC 것을 제안하는 것에서 CERN, 건너 편 국경 지역 사이의 프랑스와 스위스 근처에 제네바로 첫번째 광선을 시작하므로써 가장 시간 거대 하드론 충돌기(LHC)이 있finishe.d 2035년경 작전.[1]

CLIC 가속기는 100 MV/m의 가속 구배에서 새로운 2 빔 가속 기술을 사용할 것이며, 그것의 단계별 구조는 최적의 물리 도달거리를 위해 최대 3 TeV의 질량 중심 에너지에서 충돌을 제공할 것이다.[1] 도전적인 빔과 배경 조건에서 고정밀 물리학 목표를 달성하기 위한 연구개발(R&D)이 진행되고 있다.

CLIC는 입자물리학의 표준모델을 넘어 새로운 입자의 직접 검출뿐만 아니라 표준모델 속성의 정밀측정을 통해 새로운 물리학을 발견하는 것을 목표로 한다. 충돌기는 전체 LHC 프로그램의 예측 정밀도를 초과하는 전기취약 상태에 높은 감도를 제공한다.[1] 현재의 CLIC 설계에는 전자빔 편광의 가능성이 포함된다.

CLIC의 협력은 2016년 업데이트된 에너지 준비 시나리오로 보완된 개념 설계 보고서(CDR)를 2012년에 작성했다.[2][3] 가속기 콤플렉스 및 검출기의 고급 설계인 CLIC에 대한 물리학 사례에 대한 추가 상세 연구와 수많은 R&D 결과가 최근 일련의 CERN Yellow Reports에 요약되어 있다.[1][4][5][6]

배경

입자 충돌기의 종류에는 크게 렙톤 충돌기와 하드론 충돌기의 두 종류가 있다. 각 유형의 충돌기는 서로 다른 최종 입자 상태를 생성할 수 있으며 서로 다른 물리학 현상을 연구할 수 있다. 하드론 충돌기의 예로는 CERN의 ISR, SPS 및 LHC, 미국의 Tevatron 등이 있다. 렙톤 충돌기의 예로는 일본의 SuperKEKB, 중국의 BEPC II, 이탈리아의 DAFNE, 러시아의 VEP, 미국의 SLAC, CERN의 Large Electron-Positron Collider 등이 있다. 이 렙톤 콜라이더들 중 일부는 아직 작동하고 있다.

Hadron은 복합 물체로서, 더 복잡한 충돌 사건을 초래하고 물리 측정의 달성 가능한 정밀도를 제한한다. 렙톤콜라이더는 기본 입자와 충돌하므로 각 사건의 초기 상태를 알 수 있고 더 높은 정밀 측정을 달성할 수 있다.

세 가지 에너지 단계

380GeV, 1.5TeV, 3TeV의 에너지 단계를 가진 CLIC 가속기

CLIC는 380GeV, 1.5TeV, 3TeV의 서로 다른 질량 중심 에너지로 3단계로 구축 및 운용될 것으로 예측된다.[1] 각 단계의 통합 광도는 각각 1 ab−1, 2.5 ab−1, 5 ab으로−1 예상되며,[1] 27년 동안 광범위한 물리학 프로그램을 제공할 것이다. 이러한 질량 중심 에너지는 현재의 LHC 데이터와 CLIC 연구에 의해 수행된 물리학 잠재력에 대한 연구에 의해 동기 부여되었다.[1]

이미 380 GeV에서 CLIC는 표준 모델 물리학에 대한 양호한 커버리지를 가지고 있다. 이를 넘어서는 에너지 단계는 표준 모델 프로세스의 정밀 측정뿐만 아니라 새로운 물리학의 발견을 가능하게 한다. 또한, CLIC는 상단 쿼크의 특성을 정밀하게 측정할 목적으로 350 GeV 전후의 상단 쿼크 쌍 생산 임계치에서 작동될 것이다.[1]

CLIC의 물리 사례

CLIC는 새로운 에너지 범위의 탐사를 허용하고, 해답이 없는 문제에 대한 가능한 해결책을 제공하며, 현재 우리의 이해를 넘어선 현상의 발견을 가능하게 할 것이다.

힉스물리학

현재 LHC 데이터는 입자물리학의 표준모델에서 예측한 2012년에 발견된 입자가 힉스 입자임을 시사한다.[7][8] 그러나 LHC는 복합/근본적 특성, 결합 강도 및 확장된 전기취약 분야에서 가능한 역할과 같은 이 입자의 실체에 대한 질문에 부분적으로만 대답할 수 있다.[2] CLIC는 힉스 커플링을 이전에 달성하지 못한 정밀도로 측정하여 이러한 질문을 더 심도 있게 검토할 수 있었다.[9] 예를 들어, CLIC의 380 GeV 단계는 힉스스트라훌룽과 WW-퓨전 생산 공정을 통해 힉스 보손 커플링을 페르몬과 보손에 대한 정확한 모델 독립적 측정을 가능하게 한다. 2단계와 3단계는 위-유카와 커플링, 희귀 힉스 디케이즈, 힉스 자체 커플링 등의 현상에 접근할 수 있게 해준다.[9]

톱쿼크물리

CLIC용 시뮬레이션 검출기에서 재구성된 3TeV의 상단 쿼크 이벤트

알려진 모든 기본 입자 중 가장 무거운 최상 쿼크는 현재 전자와 양전자 충돌에서 연구된 적이 없다.[10] CLIC 선형 충돌기는 광범위한 상위 쿼크 물리 프로그램을 가질 계획이다. 이 프로그램의 주요 목적은 상단 쿼크의 질량 및 기타 중요한 특성을 정밀하게 결정하기 위해 상단 쿼크 쌍 생산 임계치(약 350 GeV) 주위의 임계값 스캔이다. 이번 스캔을 위해 CLIC는 현재 100fb를 수집해 1단계 가동−1 시간의 10%를 할애할 계획이다.[1] 이 연구는 상위 쿼크 질량을 이론적으로 잘 정의되고 하드론 충돌기로 가능한 것보다 더 높은 정밀도로 확인할 수 있게 한다.[2] 또한 CLIC는 표준 모델에 의해 예측된 값으로부터의 편차가 추가 차원 등 새로운 물리 현상의 증거가 될 수 있기 때문에 Z 보손과 광자에 대한 상단 쿼크 전기취 커플링을 측정하는 것을 목표로 한다. CLIC에서 맛을 변화시키는 중성 전류로 상단 쿼크 디케이드를 추가로 관찰하는 것은 새로운 물리학의 간접적인 표시일 수 있는데, 이는 CLIC가 현재 표준 모델 예측에서 볼 수 없기 때문이다.[10]

새로운 현상

CLIC는 간접적인 측정이나 직접 관찰을 통해 새로운 물리학 현상을 발견할 수 있었다. 표준 모델 예측에서 입자 속성의 정밀 측정에서 큰 편차는 간접적으로 새로운 물리학의 존재를 나타낼 것이다. 그러한 간접적인 방법은 사용 가능한 충돌 에너지를 훨씬 넘어서 에너지 척도에 접근하게 하여 최대 수십 TeV의 민감도에 도달하게 한다.

CLIC가 3TeV에서 할 수 있는 간접 측정의 예로는 표준 모델 이상의 단순한 게이지 확장을 나타내는 Z′ 보손(최대 30TeV에 도달)의 증거를 제공하기 위해 뮤온 쌍의 생산을 사용하는 것, 전자와크 대칭 파괴의 메커니즘에 대한 통찰력을 주기 위해 벡터 보손 산란을 사용하는 것, 그리고 코의 이용이 있다.힉스 보손의 기초적 또는 복합적 특성을 결정하기 위한 몇 개의 최종 상태의 mbination (최대 50 TeV까지의 합성도 척도)[4]

최대 1.5TeV의 질량까지 입자를 직접 쌍으로 생산하고, CLIC에서는 최대 3TeV의 단일 입자 생산이 가능하다. 전자-양전자 결합기의 깨끗한 환경 때문에, CLIC는 이러한 잠재적인 새로운 입자의 특성을 매우 높은 정밀도로 측정할 수 있을 것이다.[1] CLIC가 3TeV에서 직접 관측할 수 있는 입자의 예는 초대칭 이론에 의해 제안된 charginos, 중성미자(둘 다 ~ te 1.5TeV), 침온( te 1.5TeV)의 일부다.[4]

보 및 가속기

가속기의 길이를 소형으로 유지하면서 원하는 3TeV 빔 에너지에 도달하기 위해 CLIC는 최대 100 MV/m의 가속 구배를 목표로 한다. CLIC는 상온에서 동작하는 정상 전도 가속도 캐비티를 기반으로 하는데, 초전도성 캐비티보다 높은 가속도 구배를 허용하기 때문이다. 이 기술을 사용하면 고전압파괴율(BDR)이 주된 한계로, 경험법 Re 30 5 E^{^{을 따르고, 여기서 E은 가속 그라데이션이고, {\\tauit \type \time \time \ \time \time \taule [11]\t 높은 가속도 기울기와 목표 BDR 값(3 × 10−7 펄스m−1−1)은 빔 파라미터와 기계 설계의 대부분을 구동한다.

CLIC 에너지 단계의 주요 매개변수.[1]
매개변수 기호 구성 단위 1단계. 2단계. 3단계.
질량 중심 에너지 GeV 380 1500 3000
반복 빈도 ƒrep Hz 50 50 50
열차당 번치 수 nb 352 312 312
번치 분리 Δt ns 0.5 0.5 0.5
펄스 길이 RF ns 244 244 244
가속 구배 G MV/m 72 72/100 72/100
총광도 L 1034 cm−2−1 1.5 3.7 5.9
의 99% 이상의 광도 L0.01 1034 cm−2−1 0.9 1.4 2
연간 총 통합 조명도 L인트로 fb−1 180 444 708
주 리나크 터널 길이 km 11.4 29.0 50.1
번들당 입자 수 N 109 5.2 3.7 3.7
번치 길이 σz μm 70 44 44
IP 빔 크기 σx/σy nm 149/2.9 ∼60/1.5 ∼40/1
정규화된 에미턴스(리낙의 끝) εx/εy nm 900/20 660/20 660/20
최종 RMS 에너지 확산 % 0.35 0.35 0.35
교차 각도(IP) 모종의 16.5 20 20

CLIC는 전력 소비를 적정하게 유지하면서 이러한 높은 가속 구배에 도달하기 위해 소위 구동 빔이 충돌하는 메인 빔과 평행하게 작동하는 새로운 2빔 가속 방식을 사용한다. 구동 빔은 강력한 무선 주파수(RF) 파형의 형태로 구동 빔에서 에너지를 추출하는 동력 추출 및 전달 구조(PETS)라는 특수 장치에서 감속되며, 이 장치는 메인 빔을 가속하는 데 사용된다. 드라이브 빔의 에너지의 최대 90%를 추출하여 메인 빔으로 효율적으로 전달한다.[12]

2개의 드라이브 빔과 2개의 메인 빔 인젝터 콤플렉스를 식별할 수 있는 3TeV 단계에 대한 CLIC 가속기 콤플렉스의 전체적인 배치.[1]

메인 빔

메인 빔에 필요한 전자는 Q-스위치 편광 레이저로 GaAs형 음극에 조명을 주어 생성되며 80% 수준에서 종방향 편광된다.[5] 메인 빔의 양전자는 텅스텐 표적에 5 GeV 전자 빔을 전송함으로써 생성된다. 초기 가속 후 최대 2.86 GeV까지 전자와 양전자가 모두 감쇠 링에 들어가 방사선 감쇠에 의한 에미턴스 감소를 한다. 그런 다음 두 빔은 공통 부스터 리낙에서 9 GeV까지 가속된다. 긴 트랜스퍼 라인은 두 빔을 메인 라이낙의 시작 부분까지 운반하며, 빔 전달 시스템(BDS)에 들어가기 전에 1.5 TeV까지 가속하여 빔을 압착하여 충돌시킨다. 두 빔은 수평면에서 20 mrad 교차각으로 IP에서 충돌한다.[5]

주행빔

각 드라이브 빔 콤플렉스는 2.5 km 길이의 라이낙으로 구성되며, 이어 드라이브 빔 재결합 콤플렉스(Drive Beam Recombination Complex): 들어오는 빔 펄스가 인터리브되어 궁극적으로 12 GHz 시퀀스와 100A의 높은 로컬 빔 전류를 형성하는 지연 라인과 결합기 링의 시스템이다.[5] 각 2.5km 길이의 드라이브 빔 라이낙은 1GHz 클라이스트론에 의해 구동된다. 이는 0.5GHz의 번들 주파수를 가진 148μs 길이의 빔(1.5TeV 에너지 단계 시나리오의 경우)을 생성한다. 244 ns마다 묶음 단계가 180도 전환된다. 즉, 1 GHz에서 홀수 및 짝수 버킷이 번갈아 채워진다. 이 위상 코딩은 첫 번째 인자 2 재조합을 허용한다. 즉, 홀수 번지는 지연 루프(DL)에서 지연되며 짝수 번지는 그것을 우회한다. DL의 비행 시간은 약 244ns이며, 두 개의 번치 열차가 합쳐질 수 있도록 피코초 단위로 튜닝되어 1GHz에서 묶음 주파수를 가진 244ns 길이의 열차를 여러 대 형성하며, 244ns의 빈 공간으로 분리한다. 이 새로운 시간 구조는 DL과 유사한 메커니즘으로 다음의 결합기 링에서 인자 3과 인자 4의 재조합을 가능하게 한다. 빔의 최종 시간 구조는 12 GHz에서 244 ns 길이의 여러 열차로 구성되며, 약 5.5 μs의 간극으로 간격을 둔다. 재조합은 각 결합 열차가 메인 빔의 도착과 동시에 자체 감속기 구역에 도착하도록 타이밍을 맞춘다. 드라이브 빔 가속 및 빔 재조합을 위해 저주파(1GHz), 긴 펄스 길이(148μs) 클라이스트론을 사용하면 클라이스트론을 사용하여 메인 빔을 직접 가속하는 것보다 편리하다.[5]

CLIC Test Facility, CERN(CTF3)에 있는 CLIC Two Beam Module 이미지 빔은 좌우로 움직인다.

시험설비

CLIC 가속기 설계의 주요 기술 난제는 다양한 시험 시설에서 성공적으로 해결되었다. CLIC 시험 시설 3(CTF3)에서 드라이브 빔 생산 및 재조합, 2 빔 가속 개념을 시연하였으며, CERN(XBOX)의 고고도 X-밴드 클라이스트론 기반 RF 선원을 단계적으로 구축하였다.[13][14] 이러한 설비는 CLIC 가속구조물 및 기타 X-밴드 기반 프로젝트의 성능 조건화 및 검증에 필요한 RF 전력과 인프라를 제공한다. KEK의 NEXTEF 시설과 SLAC에서는 추가 X밴드 고학년도 시험이 진행되고 있으며, 칭화대학교에서는 새로운 시험대가 위탁 운영 중이며, 상하이 INFN Frascati와 SINAP에서는 추가 시험대가 건설되고 있다.[15]

CLIC 검출기

컷아웃 및 레이블이 있는 CLIC 검출기

CLIC의 완전한 물리학 잠재력에서 이익을 얻으려면 최첨단 검출기가 필수적이다. CLICdet이라는 이름의 현재 검출기 설계는 전체 시뮬레이션 연구와 R&D 활동을 통해 최적화되었다.[16][17][6] 검출기는 빔 축을 둘러싸고 레이어 구성이 있는 원통형 검출기 볼륨인 고에너지 충돌기에서 입자 검출기의 표준 설계를 따른다. CLICdet의 치수는 약 13 x 12m(높이 x 길이)이고 무게는 약 8000톤이다.

디텍터 레이어

CLICdet은 증가 반경의 4가지 주요 층으로 구성된다: 꼭지점 및 추적 시스템, 칼로미터, 솔레노이드 자석, 뮤온 검출기.[16]

CLIC의 실리콘 픽셀 검출기 프로토타입: "CLICTD" – 센서와 판독값을 모두 포함하는 일체형 CMOS 칩으로, 테스트 중에 여기 전자 보드에 표시됨.

정점 및 추적 시스템은 CLICdet의 가장 안쪽에 위치하며 에너지 및 궤적에 대한 최소 역효과를 가지는 입자의 위치와 모멘텀을 검출하는 것을 목적으로 한다. 정점 검출기는 증가하는 반지름에서 검출기 재료의 이중 층이 있는 원통형이며, 각 끝에는 공기 흐름 냉각을 돕기 위해 나선형 구성으로 세 개의 분할된 디스크가 있다. 이것들은 두께 50μm의 실리콘 픽셀 25x25 μm로 가정하며, 목표는 3 μm의 단일 점 분해능을 갖는 것이다. 추적 시스템은 두께가 200μm로 예상되는 실리콘 센서 모듈로 만들어졌다.[16]

칼로미터는 정점과 추적 시스템을 둘러싸고 흡수를 통해 입자의 에너지를 측정하는 것을 목표로 한다. 전자파 열량계(ECAL)는 샌드위치 구조로 실리콘/텅스텐의 약 40층으로 구성되며, 해드론 열량계(HCAL)는 그 사이에 섬광 물질이 삽입된 60개의 강철 흡수기 판을 가지고 있다.[16]

이러한 내부 CLICdet 레이어는 자기장 강도가 4T인 초전도 솔레노이드 자석에 둘러싸여 있다. 이 자기장은 전하를 띤 입자를 구부려 탄력과 전하 측정을 가능하게 한다. 그리고 자석은 뮤온 식별을 위한 큰 면적 감지기를 포함하는 철 요크로 둘러싸인다.[16]

검출기에는 또한 Bhabha 산란 이벤트의 산물을 측정하는 점성 칼로리미터(LumiCal), 최대 10 mrads 극각까지의 ECAL 커버리지를 완료하는 빔 칼로리미터, 상대 빔-빔 오프셋으로 인한 점도 손실에 대응하기 위한 열차 내 피드백 시스템이 있다.[16]

전력 펄스 및 냉각

가스 냉각 정점 스트림라인.

꼭지점 및 추적 시스템에 대한 재료 예산에 대한 엄격한 요구사항은 CLICdet에 대한 기존 액체 냉각 시스템의 사용을 허용하지 않는다. 따라서, 이 내부 지역에 건식 가스 냉각 시스템을 사용할 것을 제안한다. 기체가 공기 또는 질소로 흐를 수 있도록 검출기 설계에 공극이 고려되었다.[18][19] 효과적인 공기 냉각을 위해 정점 검출기에 있는 실리콘 센서의 평균 전력 소비량을 낮출 필요가 있다. 따라서 이러한 센서는 50Hz 열차의 교차 속도에 해당하는 높은 전력 소비 상태에서 가능한 한 낮은 전력 소비 상태로 센서를 전환하는 전류 기반 펄스 방식을 통해 작동하게 된다.[20]

상태

2017년 현재 CERN 연간 예산의 약 2%가 CLIC 기술 개발에 투자되고 있다. 약 11 km (7 mi) 길이의 CLIC의 1단계는 현재 60억 CHF의 비용으로 추정되고 있다.[1] CLIC는 30여 개국 70여 개 기관이 참여하는 글로벌 프로젝트다. CLIC 검출기와 물리학 공동작업(CLICdp), CLIC 가속기 연구 등 두 가지 공동작업으로 구성된다. CLIC는 현재 개발 단계에 있으며, 가속기 부품 및 시스템에 대한 성능 연구, 검출기 기술과 최적화 연구, 물리학 분석을 실시하고 있다. 이와 병행하여 CLIC의 물리학 잠재력을 평가하기 위해 이론 커뮤니티와 협력하고 있다.

CLIC 프로젝트는 CLIC의[21] 물리학 잠재력과 CLIC 가속기 및 검출기 프로젝트의 상태를 요약한 유럽 입자물리학 전략(ESPP)의 다음 업데이트에 입력 자료로 두 개의 간결한 문서를 제출하였다.[22] ESPP의 업데이트는 지역사회 전반에 걸친 과정으로, 전략문서의 발간으로 2020년 5월에 결론이 날 것으로 예상된다.

CLIC 프로젝트에 대한 자세한 정보는 CERN Yellow Reports, New Physics에 대한 CLIC 잠재력,[4] CLIC 프로젝트 구현 계획[5] 및 CLIC에 대한 디텍터 기술에 관한 정보를 참조하십시오.[6] 2018 CLIC 요약 보고서에 개요가 제공된다.[1]

참고 항목

참조

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  22. ^ Robson, A.; Burrows, P.N.; Catalan Lasheras, N.; Linssen, L.; Petric, M.; Schulte, D.; Sicking, E.; Stapnes, S.; Wuensch, W.; et al. (The CLIC and CLICdp collaborations) (2018). "The Compact Linear e+e− Collider (CLIC): Accelerator and Detector". arXiv:1812.07987 [physics.acc-ph].

외부 링크

  • Wikimedia Commons의 컴팩트 선형 충돌기 관련 미디어
  • CLIC Accelerator: CLIC 연구 웹사이트 [1], CLIC 연구 문서 및 출판물 [2]
  • CLIC 검출기 및 물리학: CLICDP 웹 사이트 [3], CLICDP 문서 및 출판물 [4], CLICdp 웹 사이트의 FAQ 페이지 [5]
  • 업데이트된 프로젝트 구현 문서(2018)[6]
  • CLIC 개념 설계 보고서:
    • CLIC 기술을 기반으로 한 다중 TeV 선형 충돌기 [7]
    • CLIC의 물리 및 검출기 [8]
    • CLIC 프로그램: 테라스케일[9]을 탐색하는 단계별 ee+− 선형 충돌기 방향으로 [9]
  • CLIC에 대한 기사 및 비디오: CLIC [10], CLICDP [11], CERN CLIC 시험 시설 [12]