Kompakt lineær kolliderer - Compact Linear Collider
The Compact Linear Collider ( CLIC ) er et konsept for en fremtidig lineær partikkelakselerator som mål å utforske neste energi grensen. CLIC ville kollidere elektroner med positroner og er for tiden det eneste modne alternativet for en lineær kollider med flere TeV . Gasspedalen vil være mellom 11 og 50 km lang, mer enn ti ganger lengre enn den eksisterende Stanford Linear Accelerator (SLAC) i California, USA. CLIC foreslås bygget på CERN , over grensen mellom Frankrike og Sveits i nærheten av Genève , med første bjelker som starter på det tidspunktet Large Hadron Collider (LHC) har avsluttet operasjoner rundt 2035.
CLIC akselerator ville bruke en ny to-stråle akselerasjon teknikk ved en akselerasjon gradient på 100 M V / m, og dens trinnvise konstruksjon ville gi kollisjoner ved tre senter-til-masse energier opptil 3 TeV for optimal fysikk rekkevidde. Forskning og utvikling (FoU) utføres for å nå de høye presisjonsfysiske målene under utfordrende stråle- og bakgrunnsforhold .
CLIC tar sikte på å oppdage nye fysikk utover standardmodell av partikkel fysikk, gjennom presisjonsmålinger av standardmodell egenskaper så vel som direkte påvisning av nye partikler. Kollideren vil tilby høy følsomhet for elektriske svake tilstander, og overstiger den forutsagte presisjonen for hele LHC -programmet. Den nåværende CLIC utforming omfatter muligheten for elektronstrålen polarisasjon .
CLIC -samarbeidet produserte en Conceptual Design Report (CDR) i 2012, supplert med et oppdatert scenografi for energi i 2016. Ytterligere detaljerte studier av fysikk -saken for CLIC, en avansert design av akseleratorkomplekset og detektoren, samt mange FoU resultatene er oppsummert i en nylig serie CERN Yellow Reports.
Bakgrunn
Det finnes to hovedtyper av partikkel colliders, som skiller seg fra de typer partikler kolliderer de: lepton colliders og hadron kollisjoner. Hver type kolliderer kan produsere forskjellige endelige tilstander av partikler og kan studere forskjellige fysikkfenomener. Eksempler på hadronkolliderer er ISR , SPS og LHC ved CERN, og Tevatron i USA. Eksempler på leptonkolliderer er SuperKEKB i Japan, BEPC II i Kina, DAFNE i Italia, VEPP i Russland, SLAC i USA og Large Electron - Positron Collider ved CERN. Noen av disse leptonkolliderene kjører fremdeles.
Hadroner er sammensatte objekter, som fører til mer kompliserte kollisjonshendelser og begrenser oppnåelig presisjon av fysiske målinger. Leptonkolliderer kolliderer med grunnleggende partikler , derfor er starttilstanden for hver hendelse kjent, og målinger med høyere presisjon kan oppnås.
Tre energistadier
CLIC er planlagt å bli bygget og drevet i tre trinn med forskjellige massesenter-energier: 380 GeV, 1,5 TeV og 3 TeV. De integrerte lysstyrkene på hvert trinn forventes å være henholdsvis 1 ab -1 , 2,5 ab -1 og 5 ab -1 , og gir et bredt fysikkprogram over en 27-års periode. Disse massemiddelenergiene har blitt motivert av nåværende LHC-data og studier av fysikkpotensialet utført av CLIC-studien.
Allerede ved 380 GeV har CLIC god dekning av standardmodellfysikk ; energistadiene utover dette tillater oppdagelse av ny fysikk, samt økte presisjonsmålinger av standardmodellprosesser . I tillegg vil CLIC operere ved den øverste kvarkpar -produksjonsgrensen rundt 350 GeV med sikte på å måle egenskapene til toppkvarken nøyaktig.
Fysikkveske for CLIC
CLIC vil tillate utforskning av nye energiområder, gi mulige løsninger på ubesvarte problemer og muliggjøre oppdagelse av fenomener utenfor vår nåværende forståelse.
Higgs fysikk
De nåværende LHC -dataene antyder at partikkelen som ble funnet i 2012 er Higgs -bosonet som forutsagt av standardmodellen for partikkelfysikk. Imidlertid kan LHC bare delvis svare på spørsmål om denne partikkels sanne natur, for eksempel dens sammensatte/grunnleggende natur, koblingsstyrker og mulige rolle i en utvidet elektrosvak sektor. CLIC kunne undersøke disse spørsmålene mer grundig ved å måle Higgs -koblingene til en presisjon som ikke er oppnådd før. 380 GeV-trinnet i CLIC tillater for eksempel nøyaktige modelluavhengige målinger av Higgs bosonkoblinger til fermioner og bosoner gjennom produksjonsprosessene Higgsstrahlung og WW-fusjon. Det andre og tredje stadiet gir tilgang til fenomener som topp-Yukawa-koblingen , sjeldne Higgs-forfall og Higgs-selvkoblingen.
Top-quark fysikk
Den øverste kvark, den tyngste av alle kjente elementærpartikler, har foreløpig ikke blitt studert i elektron - positron kollisjoner. CLIC lineær kollider planlegger å ha et omfattende toppkvarkfysikkprogram. Et hovedmål med dette programmet ville være en terskelskanning rundt toppkvarkpar-produksjonsgrensen (~ 350 GeV) for å nøyaktig bestemme massen og andre vesentlige egenskaper til toppkvarken. For denne skanningen planlegger CLIC for øyeblikket å bruke 10% av kjøretiden til det første trinnet, og samle 100 fb −1 . Denne studien ville tillate toppkvarkmassen å bli fastslått på en teoretisk godt definert måte og med en høyere presisjon enn mulig med hadronkolliderer. CLIC vil også ha som mål å måle de øverste kvarkelektro svake koblingene til Z -bosonet og fotonet, da avvik fra disse verdiene fra de som er forutsagt av standardmodellen, kan være bevis på nye fysikkfenomener, for eksempel ekstra dimensjoner. Ytterligere observasjoner av topp kvark og nedbrytes med smak -changing nøytrale strømmer ved CLIC ville være en indirekte indikasjon på ny fysikk, da disse må ikke bli sett av CLIC under omløpsStandardModell prediksjoner.
Nye fenomener
CLIC kan oppdage nye fysikkfenomener enten gjennom indirekte målinger eller ved direkte observasjon. Store avvik i presisjonsmålinger av partikkelegenskaper fra standardmodellprediksjonen vil indirekte signalere tilstedeværelsen av ny fysikk. Slike indirekte metoder gir tilgang til energivekter langt utover tilgjengelig kollisjonsenergi og når følsomhet på opptil titalls TeV.
Eksempler på indirekte målinger CLIC ville være i stand til ved 3 TeV er: bruk av produksjon av muonpar for å gi bevis på et Z ′ boson (rekkevidde opp til ~ 30 TeV) som indikerer en enkel målerforlengelse utover standardmodellen ; ved hjelp av vektor bosonspredning for å gi innsikt i mekanismen for brudd i elektrisk svak symmetri; og utnytte kombinasjonen av flere sluttilstander for å bestemme Higgs -bosons elementære eller sammensatte natur (rekkevidde av kompositetskala opp til ~ 50 TeV).
Direkte parproduksjon av partikler opp til en masse på 1,5 TeV, og enkeltpartikkelproduksjon opp til en masse på 3 TeV er mulig ved CLIC. På grunn av det rene miljøet for elektron-positron-kolliderere, ville CLIC være i stand til å måle egenskapene til disse potensielle nye partiklene til en meget høy presisjon. Eksempler på partikler som CLIC kunne observere direkte ved 3 TeV er noen av de som foreslås av supersymmetri -teorien : charginos , neutralinos (begge ~ ≤ 1,5 TeV) og sleptons (≤ 1,5 TeV).
Bjelker og akseleratorer
For å nå ønsket 3 TeV -stråleenergi, samtidig som akseleratorens lengde holdes kompakt, retter CLIC seg mot en akselerert gradient på opptil 100 MV/m. CLIC er basert på normalt ledende akselerasjonshulrom som opereres ved romtemperatur , ettersom de gir mulighet for høyere akselerasjonsgradienter enn superledende hulrom. Med denne teknologien er hovedbegrensningen høyspenningsnedbrytningshastigheten (BDR), som følger den empiriske loven , hvor er den akselererende gradienten og RF-pulslengden. Den høye akselererende stigning og målet BDR verdi (3 x 10 -7 puls -1 m -1 ) drive det meste av bjelken parameteren s og maskindesign.
| Parameter | Symbol | Enhet | Trinn 1 | Trinn 2 | Trinn 3 |
|---|---|---|---|---|---|
| Senter-av-masse energi | GeV | 380 | 1500 | 3000 | |
| Gjentagelsesfrekvens | ƒ rep | Hz | 50 | 50 | 50 |
| Antall bunter per tog | n b | 352 | 312 | 312 | |
| Bunnseparasjon | Δ t | ns | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Pulslengde | RF | ns | 244 | 244 | 244 |
| Akselerere gradient | G | MV/m | 72 | 72/100 | 72/100 |
| Total lysstyrke | L | 10 34 cm −2 s −1 | 1.5 | 3.7 | 5.9 |
| Lysstyrke over 99% av | L 0,01 | 10 34 cm −2 s −1 | 0,9 | 1.4 | 2 |
| Total integrert lysstyrke per år | L int | fb −1 | 180 | 444 | 708 |
| Linac hovedtunnellengde | km | 11.4 | 29.0 | 50,1 | |
| Antall partikler per haug | N | 10 9 | 5.2 | 3.7 | 3.7 |
| Gjengelengde | σ z | μm | 70 | 44 | 44 |
| IP stråle størrelse | σ x /σ y | nm | 149/2,9 | ∼60/1,5 | ∼40/1 |
| Normalisert emittans (slutten av linac) | ε x /ε y | nm | 900/20 | 660/20 | 660/20 |
| Endelig RMS energispredning | % | 0,35 | 0,35 | 0,35 | |
| Kryssvinkel (ved IP) | mrad | 16.5 | 20 | 20 |
For å nå disse høye akselererende gradientene og samtidig holde strømforbruket rimelig, bruker CLIC et nytt to-stråle-akselerasjonsopplegg: en såkalt Drive Beam går parallelt med den kolliderende hovedstrålen. Drivstrålen bremses opp i spesielle enheter kalt kraftuttaks- og overføringsstrukturer (PETS) som henter ut energi fra drivstrålen i form av kraftige radiofrekvensbølger (RF), som deretter brukes til å akselerere hovedstrålen. Opptil 90% av energien til drivbjelken utvinnes og overføres effektivt til hovedstrålen.
Hovedstråle
Elektronene som trengs for hovedstrålen produseres ved å belyse en katode av GaAs -type med en Q -koblet polarisert laser , og er langsgående polarisert på nivået 80%. Den positron s for hovedstrålefremstilles ved å sende en 5 GeV elektronstråle på en wolfram mål. Etter en innledende akselerasjon opp til 2,86 GeV, inn både elektroner og positroner demping ringer for emittance reduksjon av strålingsdemping . Begge bjelkene akselereres deretter ytterligere til 9 GeV i en felles booster linac. Lange overføringsledninger transportere to stråler til begynnelsen av de viktigste LINAC hvor de blir akselerert opp til 1,5 TeV før du går inn i Beam Delivery System (BDS), som klemmer og bringer bjelker i kollisjonen. De to stråler møtes ved IP med 20 m rad krysningsvinkel i horisontalplanet.
Drivbjelke
Hver stasjon Beam kompleks er sammensatt av et 2,5 km lang linac, etterfulgt av en Drive Beam Rekombinasjon Complex: et system av forsinkelseslinjer og kombinerer-ringer hvor de innkommende stråle pulsene er innfelt for til slutt å danne en 12 GHz-sekvens og en lokal bjelke strøm så høy som 100 A . Hver 2,5 km lange Drive Beam linac drives av 1 GHz klystron s . Dette frembringer en 148 ms lange bjelke (for 1,5 TeV energi trinn scenario) med en bunt frekvens på 0,5 GHz. Hver 244 ns byttes bunkefasen med 180 grader, det vil si at odde og jevne skuffer på 1 GHz fylles vekselvis. Denne fasekodingen tillater den første faktoren to rekombinasjon: De merkelige gruppene blir forsinket i en Delay Loop (DL), mens de jevne gruppene omgår den. Den flukttiden for DL er omtrent 244 ns og innstilt på det picosecond nivå slik at de to tog av bunter kan slå sammen, danner en rekke 244 ns-lange tog med frekvens sammenkrøllingen ved 1 GHz, atskilt med 244 ns tomrom. Denne nye tidsstrukturen gir mulighet for ytterligere faktor 3 og faktor 4 rekombinasjon i de følgende kombinatorringene med en lignende mekanisme som i DL. Den endelige tids struktur av bjelken er laget av flere (opp til 25) 244 ns-lange tog av bunter på 12 GHz, adskilt ved gap på omkring 5,5 us. Rekombinasjonen er tidsbestemt slik at hvert kombinerte tog ankommer sin egen deceleratorsektor, synkronisert med ankomst av hovedstrålen. Bruken av lavfrekvente (1 GHz), lange pulslengde (148 μs) klystroner for å akselerere drivstrålen og strålekombinasjonen gjør det mer praktisk enn å bruke klystroner for å akselerere hovedstrålen direkte.
.jpg)
Testanlegg
De viktigste teknologiske utfordringene i CLIC -akseleratorutformingen har blitt behandlet med hell i forskjellige testfasiliteter. Drive Beam produksjon og rekombinasjon, og to-stråle akselerasjonskonseptet ble demonstrert på CLIC Test Facility 3 (CTF3) . X-bånds kraftige klystron- baserte RF-kilder ble bygget i etapper ved høygradient X-båndtestanlegget (XBOX), CERN. Disse fasilitetene gir RF-strøm og infrastruktur som kreves for kondisjonering og verifisering av ytelsen til CLIC-akselerasjonsstrukturer og andre X-båndsbaserte prosjekter. Ytterligere X-band høygradienttester utføres på NEXTEF-anlegget på KEK og på SLAC , et nytt teststativ tas i bruk ved Tsinghua University og ytterligere teststativer bygges ved INFN Frascati og SINAP i Shanghai.
CLIC -detektor
En toppmoderne detektor er avgjørende for å tjene på det komplette fysikkpotensialet til CLIC. Det nåværende detektordesignet, kalt CLICdet, er optimalisert gjennom fullstendige simuleringsstudier og FoU -aktiviteter. Detektoren følger standardutformingen av storpartikkeldetektorer ved høyenergikolliderer: et sylindrisk detektorvolum med en lagdelt konfigurasjon som omgir stråleaksen. CLICdet ville ha dimensjoner på ~ 13 x 12 m (høyde x lengde) og veie ~ 8000 tonn.
Detektorlag
CLICdet består av fire hoved lag med økende radius: toppunkt og system for sporing, kalorimetriske , solenoid magnet , og myon detektor.
Toppunktet og sporingssystemet er plassert i den innerste delen av CLICdet og tar sikte på å oppdage posisjon og momenta for partikler med minimal negativ innvirkning på deres energi og bane . Toppdetektoren er sylindrisk med tre doble lag av detektormaterialer ved økende radius og har tre segmenterte skiver i hver ende i en spiralkonfigurasjon for å hjelpe luftstrømskjøling. Disse antas å være laget av 25x25 μm2 silisiumpiksler med en tykkelse på 50 μm, og målet er å ha en enkeltpunktsoppløsning på 3 μm. Følgesystemet er laget av silisium sensormoduler som forventes å være 200 um tykt.
Kalorimetrene omgir toppunktet og sporingssystemet og tar sikte på å måle energien til partikler via absorpsjon. Det elektromagnetiske kalorimeteret (ECAL) består av ~ 40 lag silisium/wolfram i en sandwichstruktur; hadron kalorimeteret (HCAL) har 60 stål demperen plater med scintillating materiale som er innsatt i mellom.
Disse indre CLICdet lag er innelukket i et superledende solenoid magnet med en feltstyrke på 4 t . Dette magnetfeltet bøyer ladede partikler, noe som muliggjør momentum og ladningsmålinger . Magneten blir da omgitt av en jern åk som ville inneholde store arealer detektorer for myon identifisering.
Detektoren har også et lysstyrkekalorimeter (LumiCal) for å måle produktene fra Bhabha-spredningshendelser , et strålekalorimeter for å fullføre ECAL-dekningen ned til 10 mrad polarvinkel, og et tilbakemeldingssystem for tog for å motvirke tap av lysstyrke på grunn av relativ stråle- bjelkeforskyvninger.
Kraftpuls og kjøling
Strenge krav til materialbudsjettet for toppunktet og sporingssystemet tillater ikke bruk av konvensjonelle væskekjølesystemer for CLICdet. Derfor foreslås det at et tørrgass -kjølesystem vil bli brukt for denne indre regionen. Luftgap er tatt med i utformingen av detektoren for å tillate strømmen av gassen , som vil være luft eller nitrogen . For å muliggjøre effektiv luftkjøling må det gjennomsnittlige strømforbruket til Silicon -sensorene i toppunktdetektoren senkes. Derfor vil disse sensorene operere via et strømbasert effektpulseringsskjema: bytte sensorene fra en høy til lav strømforbrukstilstand når det er mulig, tilsvarende 50 Hz-bunkertogets kryssingshastighet.
Status
Fra 2017 er omtrent to prosent av CERNs årlige budsjett investert i utvikling av CLIC -teknologier. Den første etappen av CLIC med en lengde på rundt 11 km (7 mi) anslås for tiden til en kostnad på seks milliarder CHF. CLIC er et globalt prosjekt som involverer mer enn 70 institutter i mer enn 30 land. Den består av to samarbeid: CLIC -detektoren og fysikksamarbeidet (CLICdp), og CLIC -akseleratorstudien. CLIC er for tiden i utviklingsstadiet og gjennomfører ytelsesstudier for akseleratordeler og -systemer, detektorteknologi og optimaliseringsstudier og fysikkanalyse. Parallelt jobber samarbeidene med teorimiljøet for å evaluere fysikkpotensialet til CLIC.
CLIC -prosjektet har levert to konsise dokumenter som innspill til neste oppdatering av European Strategy for Particle Physics (ESPP) som oppsummerer fysikkpotensialet til CLIC, så vel som statusen til CLIC -akselerator- og detektorprosjektene. Oppdateringen av ESPP er en samfunnsomfattende prosess, som forventes å avsluttes i mai 2020 med publisering av et strategidokument.
Detaljert informasjon om CLIC -prosjektet er tilgjengelig i CERN Yellow Reports, om CLIC -potensialet for ny fysikk, planen for implementering av CLIC -prosjektet og detektorteknologiene for CLIC. En oversikt er gitt i 2018 CLIC Summary Report.
Se også
Referanser
Eksterne linker
-
Media relatert til Compact Linear Collider på Wikimedia Commons - CLIC -akselerator: CLIC -studiens nettsted [1] , CLIC -studiedokumenter og publikasjoner [2]
- CLIC detektor og fysikk: CLICdp nettsted [3] , CLICdp dokumenter og publikasjoner [4] , FAQ side på CLICdp nettsted [5]
- Oppdaterte prosjektimplementeringsdokumenter (2018) [6]
- CLIC konseptuelle designrapporter:
- Artikler og videoer om CLIC: CLIC [10] , CLICdp [11] , CERN CLIC testanlegg [12]
