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ILC Summer Camp 2017

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by

栗木 雅夫

on 18 July 2017

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Transcript of ILC Summer Camp 2017

ILC Summer Camp 2017
ILC Accelerator Overview

栗木雅夫(広島大学)

Our Aim
We want e+ e- collision.
250 - 1000 GeV CME.
Luminosity > 1.0x10 cm s

How Can We Fight
with the Limited Beam Power?

Beam Format
Livingston Plot
Strong Focus is not enough
Beamstrahlung, another enemy
相手の作った磁場によるシンクロトロン放射
=Beamstrahlung (Beam + bremsstrahlung)
放射によりエネルギーが減少する=エネルギー広がりの増大、実験精度の低下
34 -2 -1
どのように実現すべきか?
Evolution of Accelerator Energy
個々の加速方式におけるエネルギー発展は大きくない。
新しい加速方式の登場によりエネルギーが大幅に増大。
既存方式の限界を見極め、新しい方式を創造することが必要。
個々の加速方式におけるエネルギー発展は大きくない。
新しい加速方式の登場によりエネルギーが大幅に増大。
既存方式の限界を見極め、新しい方式を創造することが必要。
個々の加速方式におけるエネルギー発展は大きくない。
新しい加速方式の登場によりエネルギーが大幅に増大。
既存方式の限界を見極め、新しい方式を創造することが必要。
From DC to RF accelerator
RF(交流)加速器:時間変動する電場により加速。
繰り返し加速が可能。原理的に加速エネルギーに限界は無い。
高エネルギー加速器を原理的に可能にした。
静電加速器:高電圧を発生させ、静的な電位差により加速。
加速は一回きり。放電限界により最大エネルギーが制限.
1-20 MeV.
Collider, Another Invention
コライダー(衝突型加速器)
重心系のとり方を変えて、ビームエネルギーをフル活用。
特にE>>mにおいて、違いが顕著。

Ring and Linear Collder
現在まで、建設運転された電子陽電子コライダーは、ほとんど全てがリングコライダー。
唯一の例外は、SLC(SLAC Linear Collider)
理由はルミノシティ。
Large Electron Position Collider (LEP)
周長およそ27km. スイスジュネーブ近郊のCERN(欧州原子核物理研究機構)に設置.
1989年運転開始。45 GeV x 45 GeV at Z0.
2000年運転終了。最高エネルギー104 GeV x 104 GeV.
現在はトンネルをLHC加速器として利用。
Why Ring Colliders?
いままで建設されてきたコライダーはSLCを除きすべてリングコライダー。
リングコライダーは、高いルミノシティを実現しやすい。




ビームは軌道を周回するので、必要なパワーはビームロス、およびシンクロトロン(SR)放射損失の補填分 
SRが大きくない条件では、ビーム電流Iを大きくできる(ビーム寿命τの分だけ得をする)。
出発停止
LEPは209GeV CMEで運転を停止。
Higgs 閾値が近いにも関わらず(これはあとからわかったのだが)
原因はシンクロトロン放射。
 
 
SRはビームエネルギーの四乗で発散するので、莫大な電力をつぎ込まないとルミノシティを確保できなくなる。(ビーム寿命のメリットが相殺される)。
The Solution is Linear Collider
How Can LC make it?
あまり大きくしない
できるだけ小さく
線形加速器にはSRが無いので、長さX加速勾配と、まさに線形にエネルギーを高くできる。
一方、ビームは「使い捨て」となるので、必要な電力は、ビームパワー/効率である。ビームパワーを増大して、ルミノシティを得ようとすると、莫大な電力が必要となる。
 
 
 
ビームを絞ることで、ルミノシティを増大させる。
ビームは「使い捨て」なので、ビームビーム効果は多少強くても大丈夫。
低いビームパワー、極小スポットで高いルミノシティが、リニアコライダーのコンセプト。
LC, Pros and Cons
Pros
シンクロトロン放射によるエネルギー損失が無い。
偏極電子(陽電子)が使える。
ビームビーム相互作用に強い。
Cons
ビームパワーを高くできない
ビームは使い捨て
高い加速勾配の加速管が必要(そうでないと、敷地が広大となる)
Linear Collider = ECO-llider
(いいコライダー)
Energy can be high, but the beam power could not be high.
Extremely small spot size at IP(Interaction Point) is the key.
How Do We realize the small spot?

Dark Energy
Dark Matter
something unknown
ECO fighter
with NEGI
STAR WARS™: Galaxy of Heroes Apple
X750
SUSY
Comp.
Higgs
あの人?
CLIC
LHC
LEP
SLC
ILC
CEPC
FCC
ED
The beam size can not be a point like,
because of the diffraction, chromatic abberation, etc.
A strong focus makes depth of focus short degrading the luminosity.
The focusing strength should be optimized for the luminosity.
衝突点付近でのビームサイズ
ビームサイズσはβ関数とエミッタンスεできまる。
衝突点付近のβ関数は、衝突点でのベータ関数の値β*と長手方向位置sで記述。
焦点深度(ビームが絞られている長手方向の長さ)は、およそβ*である。
β*が小さいと、IPでのビームサイズは小さくなるが、すぐに増大する。
β*が大きいと、そもそもIPでビームサイズを絞れない。

最適なβ*は?
最適なβ*はバンチ長程度
バンチ長σz, Depth of Focus β*
σz=<β* : ルミノシティはほぼ一定
σz>β* :ルミノシティは低下(実効的なビームサイズが拡大)
σz<β*は別の理由から嫌
最適な状態はβ*=σz

Disruption
ビームサイズは、ベータトロン振動に加えて、ビーム間のクーロン相互作用により影響される。異符号なので引力。
Kx>0 for attractive force
Gaussian Beam
Disruption Parameter
Disruptionは引力なので、強ければ強いほど実効的にビームサイズが減少し、ルミノシティは上昇する。ただし.......
ビームオフセットがあると、過収束となり、実効的なルミノシティは減少。
Δy=0.5σy
Dy=25
ビームオフセットはビームサイズの半分程度に抑える。
gundam.info
Energy Spread by Beamstrahlung
Critical Energy
(光子エネルギー)
ビーム全体の平均値(ガウスビーム)
電子一つあたりの放射光子数
エネルギー広がり
バンチチャージの二乗に比例

バンチ長の逆数に比例

Flat Beam Concept
Not too large to save our earth
As small as possible for large luminosity
Not too small
to suppress Beamstrahlung
Conflict
Flat Beam Concept
Luminosity Scaling
Tentative Summary for LC Luminosity
σz 〜 βy* for Hourglass effect
σx>>σy to suppress BS and enhance luminosity

Luminosity can be written as ....
Normalized Luminosity Scaling Law
Or revelation telling us what is operable.
Power Efficiency
Energy Spread
by BS
Vertical emittance
(smaller one)
Up!
so so
Luminosity does not tell how we can decide f and nb.
Accelerator does !
1/f
nb bunches
N particles
one pulse
超伝導空洞とパルス構造
超伝導空洞の特徴
電気抵抗が極めて小さい(時間変化する電磁場に対しては完全にはゼロにはならない;残留抵抗)。
RFを入れると、微量ながらジュール熱が発生する。
このジュール熱を排熱するには、多くの仕事が必要.
理想カルノーサイクルの効率は2/300=0.6%
冷凍機の効率10%を仮定すると、1Jを排熱するのに1700J必要。
ジュール熱の発生を抑えたい。
パルスが長いほうが有利。
TH(300K)
TL(2K)
Q
Q
W= Q
TH-TL
TH
TL
TH
群速度ゼロの定在波。
二つの進行波の重ね合わせ(ネットの群速度ゼロ)。
RFパワーはビルドアップ(空洞内外のパワー密度差により流入)。必然的にRFパワーの一部は反射される。
空洞内にパワーがたまっていくに従い、反射波は減少。
一旦蓄積されたRFパワーは効率的に維持されるため、超伝導空洞と相性が良い。
超伝導空洞=定在波型加速管
定在波加速管のビルドアップ
RF
Beam Loading
~0.5ms
とても長い
加速はしていないが、RFはON
加速も、RF入力もしていないが、蓄積されたRFが残っている
正味の加速部分
RF on
Cryogenic on
Beam on
Longer beam pulse gives a better efficiency
SC accelerator favors
a long pulse and low rep.
How To Fix T ?
beam
超伝導加速器の効率を考えると、t は長ければ長いほど良い。TESLAパラメーターではおよそT_0=0.5ms. これよりは長くしたい。
ただし、t はむやみに長くできない。
IPで非対称超低エミッタンスビームをつくるため、DRに数百ms 程度、蓄積しなくてはならない。
パルス長xc(光速)=DR周長: 0.5msの場合、150km.
beam
beam
e- DR
C=150km
e+ DR
C=150km
How to really fix the T ?
beam
0.5ms程度のパルスをそのままDRに収容しようとすると、C=150km.
DRには圧縮蓄積して、取り出すさいにバンチ間隔を伸ばす。
tbunch(ML) = 500ns, tbunch(DR)=6ns, 圧縮比85程度。DR周長は3.1kmとなる.
tbeamはDR周長,tbunch(DR)およびtbunch(ML)から決定。
tbunch(DR)は取り出しキッカーの立ち上がり、たち下がり時間から決定。
ILC Accelerator
ILC Electron Source
右巻電子と左巻き電子は、ゲージ相互作用上は異なる粒子.
初期状態:エネルギー、粒子、そしてヘリシティ(スピン).
スピンを含む初期状態を厳密に定義し、特定の反応のみを探索.
GaAs/GaAsP 歪み補償超格子カソード
円偏光レーザーにより偏極ビーム生成
90%偏極度、1.5%量子効率
Polarized Electron Source
ILC 陽電子源
陽電子は電子の反粒子。性質はほとんど同じ。
光電効果ではつくれない。γ線の対生成反応を利用する。
10MeV以上のγ線が必要。
陽電子生成
ヘリカルアンジュレーター(ビームに垂直な磁場が螺旋状に変化する)から発生するγ線(シンクロトロン光)から陽電子を生成。
130GeV以上の電子ビームが必要なことから、衝突用電子ビームを利用。
e- (to collision)
e+
gamma
Positron Source : Electron Driven
従来方式(電子ビーム駆動)も検討。
高エネルギー電子ビーム(数GeV)が金属中で生じる制動輻射γ線により陽電子を生成。
専用の電子ビーム加速器を建設し、早期より陽電子ビームを供給.(後にアンジュレーター方式にアップグレード)
Damping Ring
ビームの衝突確率(ルミノシティ)を高めるには、衝突点でナノメートルまでビームを絞り込む。回折限界まで絞り込むには、平行度の高いビームが必要。
Damping Ring (DR) が究極の平行ビームを作り出す.
究極の平行ビームはナノメートルまで絞り込める.
How parallel?
100m
100um
放射ー>再加速の繰り返しにより、横方向運動量は減衰
Transverse momentum
Longitudinal momentum
RF field
放射減衰(radiation damping)
DRでの放射減衰
横方向運動量
進行方向運動量
シンクロトロン放射による減少
横方向運動量
進行方向運動量
加速空洞
再加速
横方向運動量
進行方向運動量
再加速
放射ー>再加速で
横方向運動量の減少
目標
達成値
DRから出てきたビームを所定のエネルギーまで加速。
純Nb(転移温度9.3K)による超伝導加速空洞.
2K冷凍容器内に設置.
平均加速勾配:35 MV/m.

Main Linac
Cavity Fabrication
15000本以上の空洞を製造しなければならない.
技術的に可能、というだけでは不十分.品質管理を含めて実現する必要.
製造歩留まり(>28MV/m)は2010-2012の時点で94%.大量生産をふくめて技術的に成熟。
Final Focus
ルミノシティを上げるため、ビームは衝突点で3.5nmまで絞る.
ビーム収束は四重極磁場(レンズ)で行う.
色収差(ビームエネルギーの広がりによるボケ)の補正が鍵.
Chromatic aberration
エネルギーの異なる粒子は異なる場所で焦点を結ぶ.
結果として、粒子は同じ場所で焦点を結ばない.
エネルギーによる焦点距離の違い(色収差)を補正しなくてはならない.
六重極磁場(色消しレンズ)を使う.
色収差補正
エネルギー依存
Chromaticity Correction
Dispersion(エネルギーによる軌道のずれ)がある場所に、六極磁石を導入
エネルギーに依存した収束力
六極磁場による収束力
四極+六極磁場による収束力
エネルギーに依存
しない収束力
打ち消し条件
ATF (Accelerated Test Facility)
Final Focus System Demonstration
ATF : ILC without Main Linac
45nm の実測に成功。
37nm (1.3 GeV ATF2) は5.7nm (250 GeV, ILC)と等価。
ILCの目標
加速器は新加速方式の発明とともに急激に発展してきた。
電子・陽電子コライダーのエネルギーはシンクロトロン放射により制限されている。
200GeV以上の重心系エネルギー実現には、線形加速器によるリニアコライダーが必須。
リニアコライダーの特徴:低いビーム電流、nmサイズ
ICFA/ITRPによる世界統一プロジェクト
2013年TDRが完成。実現へ!
まとめ
ILC Project
ILCは全世界が協力して推進する計画。
次はLCだ、ということで世界各地で...
GLC
Global
Linear
Collider
光り輝く竹はどれ?
ICFA ITRP どのたけのこか選べ
ICFA(International Committee for Future Accelerator):世界の高エネルギー物理の研究所による組織。世界の研究所が協力して単独のリニアコライダー計画を推進することを提唱。

ITRP (International Technical Recommendation Panel):ICFAが設置した諮問委員会。2004年にリニアコライダーの加速技術として, 1.3GHz超伝導を採用すべきと答申。

当時常伝導加速器によるリニアコライダー計画(GLC)を計画していたKEKは大騒ぎ。当時の戸塚機構長のイニシアチブによる体制建て直しのため、第一回ILCWSをKEKで開催。

日本のリニアコライダー研究の危機、そして再生の瞬間
2013年 ILC TDR (Technical Design Report) が完成!
2013 建設候補地決定
The ILC site evaluation committee of Japan has assessed the two candidate sites based on technical and socio-environmental criteria and unanimously concluded as follows:
The Kitakami site is evaluated to be the best domestic candidate site for the ILC.
http://ilc-str.jp/topics/2013/08281826/
北上サイト
Stupid Linear Collider
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