Компактный линейный коллайдер

Проект компактного линейного коллайдера

Компактный линейный коллайдер ( CLIC ) — это концепция будущего линейного ускорителя частиц , целью которого является исследование следующего энергетического рубежа. CLIC будет сталкивать электроны с позитронами и в настоящее время является единственным зрелым вариантом линейного коллайдера с энергией в несколько ТэВ . Ускоритель будет иметь длину от 11 до 50 км (от 7 до 31 мили). более чем в десять раз дольше, чем существующий Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC) в Калифорнии, США. CLIC предлагается построить в ЦЕРН , на границе между Францией и Швейцарией , недалеко от Женевы , причем первые лучи начнутся к тому времени, когда Большой адронный коллайдер (БАК) завершит работу примерно в 2035 году.

Ускоритель CLIC будет использовать новую технику двухлучевого ускорения с ускорения градиентом 100 МВ / м, а его поэтапная конструкция обеспечит столкновения при трех центра масс энергиях до 3 ТэВ для оптимального физического достижения. Исследования и разработки (НИОКР) проводятся для достижения целей высокоточной физики в сложных условиях луча и фона .

CLIC стремится открыть новую физику за пределами Стандартной модели физики частиц посредством точных измерений свойств Стандартной модели , а также прямого обнаружения новых частиц. Коллайдер обеспечит высокую чувствительность к электрослабым состояниям, превысив прогнозируемую точность полной программы БАК. Текущая конструкция CLIC включает возможность поляризации электронного пучка .

В 2012 году сотрудничество CLIC подготовило отчет о концептуальном проектировании (CDR). дополнен обновленным сценарием энергетической подготовки в 2016 году. Дополнительные подробные исследования физического обоснования CLIC, усовершенствованной конструкции ускорительного комплекса и детектора, а также многочисленные результаты исследований и разработок обобщены в недавней серии «Желтых отчетов» ЦЕРН.

Фон

Существует два основных типа коллайдеров частиц, которые различаются типами частиц, с которыми они сталкиваются: лептонные коллайдеры и адронные коллайдеры. Каждый тип коллайдера может создавать разные конечные состояния частиц и изучать различные физические явления. Примерами адронных коллайдеров являются ISR , SPS и LHC в ЦЕРН, а также Тэватрон в США. Примерами лептонных коллайдеров являются SuperKEKB в Японии, BEPC II в Китае, DAFNE в Италии, VEPP в России, SLAC в США и Большой электрон-позитронный коллайдер в ЦЕРН. Некоторые из этих лептонных коллайдеров все еще работают.

Адроны — сложные объекты, которые приводят к более сложным столкновениям и ограничивают достижимую точность физических измерений. Именно поэтому Большой адронный коллайдер был спроектирован для работы при такой высокой энергии, хотя уже было известно, что частица Хиггса должна быть обнаружена примерно при тех энергиях, которыми она в конечном итоге стала: меньшая точность адронного коллайдера требовала более многочисленных и более высокие энергетические воздействия для компенсации. С другой стороны, лептонные коллайдеры сталкиваются с фундаментальными частицами , поэтому известно начальное состояние каждого события и могут быть достигнуты более точные измерения.

Еще одним способом классификации коллайдеров является их физическая геометрия: линейная или круговая. Преимущества кольцевых коллайдеров заключаются в возможности многократного ускорения частиц для достижения очень высоких энергий, а также в возможности многократного пересечения их лучей для достижения очень большого количества столкновений между отдельными частицами.

С другой стороны, они ограничены тем фактом, что поддержание циркуляции частиц означает постоянное их ускорение внутрь. Это заставляет заряженные частицы испускать синхротронное излучение , что в конечном итоге приводит к значительным потерям энергии и ограничению достижимой энергии столкновения. Эта так называемая синхротронная потеря особенно вредна для лептонных коллайдеров, потому что она масштабируется как четвертая степень скорости частицы, а единственные стабильные лептоны вокруг (электроны и позитроны), как следует из названия, очень легкие. Чтобы получить ту же энергию, их придется ускорять до гораздо более высоких скоростей, чем более тяжелые частицы (барионы), и внезапно синхротронные потери становятся ограничивающим фактором.

Будучи линейным коллайдером, CLIC не будет иметь этой проблемы. Однако ему все еще приходится решать проблемы невозможности рециркуляции своих лучей, что, несмотря на то, что его называют «компактным», требует огромных размеров и довольно нетрадиционной конструкции для достижения требуемых высоких линейных ускорений.

Три энергетические стадии

Ускоритель CLIC с энергетическими ступенями 380 ГэВ, 1,5 ТэВ и 3 ТэВ

Планируется, что CLIC будет построен и эксплуатироваться в три этапа с разными энергиями центра масс: 380 ГэВ, 1,5 ТэВ и 3 ТэВ. интегральная светимость Ожидается, что на каждом этапе составит 1 аб. ⁻¹ , 2,5 аб ⁻¹ , и 5 аб ⁻¹ соответственно, обеспечение широкой программы по физике на 27-летний период. Эти энергии центра масс были мотивированы текущими данными БАК и исследованиями физического потенциала, проведенными в рамках исследования CLIC.

Уже при энергии 380 ГэВ CLIC хорошо освещает физику Стандартной модели ; энергетические этапы, выходящие за рамки этого, позволяют открывать новую физику, а также повышать точность измерений процессов Стандартной модели . Кроме того, CLIC будет работать при топ-кварков пороге рождения пары около 350 ГэВ с целью точного измерения свойств топ-кварка.

Физический кейс для CLIC

CLIC позволит исследовать новые энергетические диапазоны, предоставит возможные решения оставшихся без ответа проблем и позволит открыть явления, выходящие за рамки нашего нынешнего понимания.

Физика Хиггса

Текущие данные БАК позволяют предположить, что частица, обнаруженная в 2012 году, является бозоном Хиггса , как и предсказывает Стандартная модель физики элементарных частиц. Однако БАК может лишь частично ответить на вопросы об истинной природе этой частицы, таких как ее составная/фундаментальная природа, сила связи и возможная роль в расширенном электрослабом секторе. CLIC могла бы изучить эти вопросы более глубоко, измерив связи Хиггса с недостижимой ранее точностью. Стадия CLIC с энергией 380 ГэВ позволяет, например, проводить точные, независимые от модели измерения взаимодействия бозона Хиггса с фермионами и бозонами посредством процессов образования излучения Хиггса и термоядерного синтеза. Второй и третий этапы открывают доступ к таким явлениям, как взаимодействие топ-Юкавы , редкие распады Хиггса и самосоединение Хиггса.

Физика топ-кварков

Событие топ-кварка при энергии 3 ТэВ, восстановленное в моделируемом детекторе CLIC

Топ-кварк, самая тяжелая из всех известных фундаментальных частиц, в настоящее время никогда не изучалась в электрон - позитронных столкновениях. Линейный коллайдер CLIC планирует реализовать обширную программу по физике топ-кварков. Основной целью этой программы будет пороговое сканирование вокруг порога рождения пары топ-кварков (~ 350 ГэВ) для точного определения массы и других важных свойств топ-кварка. Для этого сканирования CLIC в настоящее время планирует посвятить 10% времени работы первого этапа, собрав 100 фб. ⁻¹ . Это исследование позволит определить массу топ-кварка теоретически четко определенным способом и с более высокой точностью, чем это возможно с помощью адронных коллайдеров. CLIC также будет стремиться измерить электрослабые связи топ-кварков с Z-бозоном и фотоном, поскольку отклонения этих значений от предсказанных Стандартной моделью могут быть свидетельством новых физических явлений, таких как дополнительные измерения. Дальнейшее наблюдение распадов топ-кварков с нейтральными токами, изменяющими аромат , на CLIC было бы косвенным указанием на новую физику, поскольку они не должны быть обнаружены CLIC в соответствии с текущими предсказаниями Стандартной модели .

Новые явления

CLIC мог бы открывать новые физические явления либо посредством косвенных измерений, либо путем прямого наблюдения. Большие отклонения в прецизионных измерениях свойств частиц от предсказаний Стандартной модели косвенно сигнализируют о наличии новой физики. Такие косвенные методы дают доступ к энергетическим масштабам, значительно превышающим доступную энергию столкновения, достигая чувствительности до десятков ТэВ.

Примерами косвенных измерений, которые CLIC мог бы провести при энергии 3 ТэВ, являются: использование образования пар мюонов для доказательства существования Z' - бозона (достигающего до ~30 ТэВ), что указывает на простое расширение шкалы за пределы Стандартной модели ; использование рассеяния векторных бозонов для понимания механизма нарушения электрослабой симметрии; и использование комбинации нескольких конечных состояний для определения элементарной или составной природы бозона Хиггса (достижение шкалы составности до ~ 50 ТэВ). На CLIC возможно прямое парное производство частиц с массой до 1,5 ТэВ и одиночное производство частиц с массой до 3 ТэВ. Благодаря чистой среде электрон-позитронных коллайдеров CLIC сможет измерять свойства этих потенциальных новых частиц с очень высокой точностью. Примерами частиц, которые CLIC мог непосредственно наблюдать при энергии 3 ТэВ, являются некоторые из тех, которые предложены теорией суперсимметрии : чаргино , нейтралино (оба ~ ≤ 1,5 ТэВ) и слептоны (≤ 1,5 ТэВ).

Однако исследования экспериментальных данных по космологической постоянной , LIGO шуму и времени пульсаров показывают, что очень маловероятно существование каких-либо новых частиц с массами, намного превышающими те, которые можно найти в стандартной модели или на БАКе. С другой стороны, это исследование также показало, что квантовая гравитация или пертурбативная квантовая теория поля станут сильно связанными до энергии 1 ПэВ, что приведет к появлению новой новой физики в ТэВах.

Пучки и ускорители

Чтобы достичь желаемой энергии пучка 3 ТэВ при сохранении компактной длины ускорителя, CLIC нацелен на градиент ускорения до 100 МВ/м. CLIC основан на ускорительных резонаторах с нормальной проводимостью, работающих при комнатной температуре , поскольку они допускают более высокие градиенты ускорения, чем сверхпроводящие резонаторы. Основным ограничением этой технологии является скорость высоковольтного пробоя (BDR), которая подчиняется эмпирическому закону. $BDR\propto E^{30}\tau ^{5}$, где $E$ - ускоряющийся градиент и $\tau$ — длина радиочастотного импульса. Высокий градиент ускорения и целевое значение BDR (3 × 10 ⁻⁷ пульс ⁻¹ м ⁻¹ ) определяют большинство параметров балки и конструкции машины .

Ключевые параметры энергетических ступеней CLIC.

Параметр	Символ	Единица	Этап 1	Этап 2	Этап 3
Энергия центра масс	${\sqrt {s}}$	ГэВ	380	1500	3000
Частота повторения	ƒ представитель	Гц	50	50	50
Количество связок в поезде	н б		352	312	312
Разделение гроздей	Δ т	нс	0.5	0.5	0.5
Длина импульса	$\tau$РФ	нс	244	244	244
Ускоряющийся градиент	Г	МВ/м	72	72/100	72/100
Общая яркость	л	10 34 см −2 с −1	1.5	3.7	5.9
Яркость выше 99% ${\sqrt {s}}$	л 0,01	10 34 см −2 с −1	0.9	1.4	2
Общая интегральная светимость в год	Л инт	ФБ −1	180	444	708
Длина основного туннеля линейного ускорителя		км	11.4	29.0	50.1
Количество частиц в сгустке	Н	10 9	5.2	3.7	3.7
Длина грозди	σσz	мкм	70	44	44
Размер IP-луча	σ x / σ y	нм	149/2.9	~60/1.5	~40/1
Нормализованный эмиттанс (конец линейного ускорителя)	ε x / ε y	нм	900/20	660/20	660/20
Окончательный среднеквадратичный разброс энергии		%	0.35	0.35	0.35
Угол пересечения (при IP)		Мистер	16.5	20	20

Чтобы достичь таких высоких градиентов ускорения, сохраняя при этом доступное энергопотребление, CLIC использует новую схему двухлучевого ускорения: так называемый приводной луч движется параллельно встречному дальнему лучу. Приводной луч замедляется в специальных устройствах, называемых структурами извлечения и передачи энергии (PETS), которые извлекают энергию от приводного луча в виде мощных радиочастотных (РЧ) волн, которые затем используются для ускорения дальнего луча. До 90% энергии приводного луча извлекается и эффективно передается дальнему лучу.

Общая схема ускорительного комплекса CLIC ступени 3 ТэВ, на которой можно выделить два инжекторных комплекса Drive Beam и два инжекторных комплекса Main Beam.

Дальний свет

Электроны, необходимые для основного луча, производятся путем освещения GaAs типа катода с модуляцией добротности поляризованным лазером и продольно поляризованы на уровне 80%. Позитроны на вольфрамовую для основного пучка создаются путем направления электронного луча с энергией 5 ГэВ мишень . После начального ускорения до 2,86 ГэВ и электроны, и позитроны попадают в демпфирующие кольца для эмиттанса уменьшения за счет радиационного затухания . Оба пучка затем дополнительно ускоряются до энергии 9 ГэВ в общем ускорительном ускорителе. Длинные линии передачи транспортируют два луча к началу главных ускорителей , где они ускоряются до 1,5 ТэВ, прежде чем попасть в систему доставки луча (BDS), которая сжимает и приводит лучи в столкновение. Два луча сталкиваются в точке IP с 20 м рад пересечения углом в горизонтальной плоскости.

Приводной луч

Каждый комплекс Drive Beam состоит из линейного ускорителя длиной 2,5 км, за которым следует комплекс рекомбинации Drive Beam: система линий задержки и объединительных колец, в которых импульсы входящего луча чередуются, чтобы в конечном итоге сформировать последовательность 12 ГГц и локальный ток луча , как максимум А. 100 Каждый линейный ускоритель Drive Beam длиной 2,5 км питается от клистрона с частотой 1 ГГц . Это создает луч длиной 148 мкс (для сценария с энергетической ступенью 1,5 ТэВ) с частотой группировки 0,5 ГГц. Каждые 244 нс фаза группировки переключается на 180 градусов, т.е. нечетные и четные сегменты на частоте 1 ГГц заполняются поочередно. Такое фазовое кодирование обеспечивает рекомбинацию первого фактора два: нечетные пакеты задерживаются в петле задержки (DL), а четные пакеты обходят его. Время пролета ДЛ составляет около 244 нс и настроено на пикосекундном уровне так, что два цуга сгустков могут сливаться, образуя несколько цугов длиной 244 нс с частотой группировки 1 ГГц, разделенных пустым пространством 244 нс. Эта новая временная структура допускает дальнейшую рекомбинацию фактора 3 и фактора 4 в следующих кольцах объединителя с тем же механизмом, что и в DL. Конечная временная структура пучка состоит из нескольких (до 25) цугов длительностью 244 нс на частоте 12 ГГц, разделенных промежутками около 5,5 мкс. Рекомбинация рассчитана так, что каждый объединенный поезд прибывает в свой собственный сектор замедлителя, синхронно с прибытием дальнего луча. Использование низкочастотных (1 ГГц) клистронов с большой длительностью импульса (148 мкс) для ускорения приводного луча и рекомбинации пучка делает его более удобным, чем использование клистронов, для прямого ускорения главного луча.

Изображение двухлучевого модуля CLIC в испытательном центре CLIC, CERN ( CTF3 ). Луч движется слева направо.

Испытательные мощности

Основные технологические проблемы конструкции ускорителя CLIC успешно решены на различных испытательных стендах. Производство и рекомбинация приводного луча, а также концепция двухлучевого ускорения были продемонстрированы на испытательном стенде CLIC 3 (CTF3) . радиочастотные источники X-диапазона Мощные на основе клистронов поэтапно создавались на высокоградиентном испытательном стенде X-диапазона (XBOX) в ЦЕРНе. Эти объекты обеспечивают радиочастотную мощность и инфраструктуру, необходимые для кондиционирования и проверки работоспособности ускорительных структур CLIC и других проектов, основанных на X-диапазоне. Дополнительные высокоградиентные испытания X-диапазона проводятся на объектах NEXTEF в KEK и SLAC , новый испытательный стенд вводится в эксплуатацию в Университете Цинхуа , а дополнительные испытательные стенды строятся в INFN Frascati и SINAP в Шанхае.

CLIC-детектор

Детектор CLIC с вырезом и этикетками

современный детектор Чтобы воспользоваться полным физическим потенциалом CLIC, необходим . Текущая конструкция детектора, получившая название CLICdet, была оптимизирована посредством полного моделирования и научно-исследовательских работ. Детектор соответствует стандартной конструкции детекторов больших частиц на коллайдерах высоких энергий: цилиндрический объем детектора со слоистой конфигурацией, окружающий ось пучка. CLICdet будет иметь размеры ~13 × 12 м (высота × длина) и весить ~8000 тонн.

Слои детектора

CLICdet состоит из четырех основных слоев увеличивающегося радиуса: вершинной и трекинговой системы, калориметров , соленоидного магнита и мюонного детектора.

Прототип кремниевого пиксельного детектора для CLIC: «CLICTD» - монолитный CMOS-чип, содержащий как датчик, так и считывающее устройство, показанный здесь на электронной плате во время тестирования.

Система вершин и слежения расположена в самой внутренней области CLICdet и предназначена для определения положения и импульса частиц с минимальным негативным воздействием на их энергию и траекторию . Вертексный детектор имеет цилиндрическую форму с тремя двойными слоями детекторного материала с увеличивающимися радиусами и имеет три сегментированных диска на каждом конце в спиральной конфигурации для облегчения охлаждения воздушным потоком. Предполагается, что они состоят из кремниевых пикселей размером 25x25 мкм2 и толщиной 50 мкм, и цель состоит в том, чтобы иметь разрешение одной точки 3 мкм. Система слежения состоит из кремниевых сенсорных модулей, толщина которых, как ожидается, составит 200 мкм.

Калориметры окружают вершину и систему слежения и предназначены для измерения энергии частиц посредством поглощения. Электромагнитный калориметр (ECAL) состоит из ~40 слоев кремния/вольфрама в сэндвич-структуре; Адронный калориметр (HCAL) имеет 60 стальных поглотительных пластин со сцинтилляционным материалом. вставленным между ними

Эти внутренние слои CLICdet заключены в сверхпроводящий соленоидный магнит с напряженностью поля 4 Тл . Это магнитное поле изгибает заряженные частицы, позволяя измерять импульс и заряд . Затем магнит окружается железным ярмом, которое будет содержать детекторы большой площади для идентификации мюонов.

Детектор также оснащен калориметром светимости (LumiCal) для измерения продуктов рассеяния Бабхи , лучевым калориметром для покрытия ECAL до полярного угла до 10 мрад и внутрипотоковой системой обратной связи для противодействия потере светимости из-за относительного смещения балок.

Импульсная мощность и охлаждение

Вершинные линии газового охлаждения

Жесткие требования к материальному бюджету вершины и системы трекинга не позволяют использовать для CLICdet обычные системы жидкостного охлаждения. Поэтому предлагается использовать систему охлаждения сухого газа для этой внутренней области. В конструкции детектора предусмотрены воздушные зазоры, обеспечивающие поток газа , которым может быть воздух или азот . Чтобы обеспечить эффективное воздушное охлаждение, необходимо снизить среднее энергопотребление кремниевых датчиков вершинного детектора. Таким образом, эти датчики будут работать по схеме импульсов мощности на основе тока: переключать датчики из состояния высокого энергопотребления в состояние низкого энергопотребления, когда это возможно, что соответствует скорости пересечения групповой последовательности 50 Гц.

Статус

По состоянию на 2017 год Примерно два процента годового бюджета ЦЕРН инвестируется в развитие технологий CLIC. Стоимость первой очереди CLIC длиной около 11 км (7 миль) в настоящее время оценивается в шесть миллиардов швейцарских франков. CLIC — это глобальный проект, в котором участвуют более 70 институтов из более чем 30 стран. Он состоит из двух коллабораций: коллаборации по детекторам и физике CLIC (CLICdp) и исследования ускорителя CLIC. CLIC в настоящее время находится на стадии разработки, проводит исследования производительности частей и систем ускорителя, исследования технологии детекторов и оптимизации, а также физический анализ. Параллельно коллаборации работают с теоретическим сообществом над оценкой физического потенциала CLIC.

Проект CLIC представил два кратких документа в качестве вклада в следующее обновление Европейской стратегии по физике элементарных частиц (ESPP), в которых обобщается физический потенциал CLIC. а также о состоянии проектов ускорителя и детектора CLIC. Обновление ESPP — это процесс, охватывающий все сообщество, который, как ожидается, завершится в мае 2020 года публикацией стратегического документа.

Подробная информация о проекте CLIC доступна в Желтых отчетах ЦЕРН, о потенциале CLIC для новой физики, план реализации проекта CLIC и детекторные технологии для CLIC. Обзор представлен в сводном отчете CLIC за 2018 год.

См. также

• Будущий круговой коллайдер
• Международный линейный коллайдер
• Круговой электрон-позитронный коллайдер

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с компактным линейным коллайдером, на Викискладе?
• Ускоритель CLIC: веб-сайт исследования CLIC [1] , документы и публикации исследования CLIC [2]
• Детектор и физика CLIC: веб-сайт CLICdp [3] , документы и публикации CLICdp [4] , страница часто задаваемых вопросов веб-сайта CLICdp [5]
• Обновленные документы по реализации проекта (2018 г.) [6]
• Отчеты о концептуальном проекте CLIC:
  • Линейный коллайдер на несколько ТэВ на основе технологии CLIC [7]
  • Физика и детекторы в CLIC [8]
  • Программа CLIC: На пути к поэтапному ⁺ и ⁻ линейный коллайдер, исследующий терамасштаб [9]
• Статьи и видеоролики по CLIC: CLIC [10] , CLICdp [11] , испытательный стенд CERN CLIC [12]