勾勒出一台µ介子对撞机的草图

一台高能µ子对撞机作为一种可能的边疆探索机器重新受到关注。丹尼尔·舒尔特(Daniel Schulte)、纳迪亚·帕斯特龙(Nadia Pastrone)和肯·朗描述了未来可能的道路。

高能粒子对撞机已被证明是研究基本力性质不可缺少的工具。2012年发现希格斯玻色子的大型强子对撞机(LHC)就是最近的一个主要例子。已经提出了几个重大项目，一旦大型强子对撞机在本世纪30年代末结束运行，就会推动我们对宇宙的理解。这些都是即将结束的欧洲粒子物理战略更新的讨论焦点。一家电子-正电子希格斯工厂可以精确测量希格斯玻色子的耦合和希格斯势，似乎已经获得共识，成为不久的将来最好的机器。问题是：它会是什么类型的？

今天，电子-正电子对撞机已经有了成熟的选择：CERN的未来圆形对撞机(FCC-ee)和紧凑型线性对撞机(CLIC)提案；日本的国际线性对撞机(ILC)；以及中国的圆形电子-正电子对撞机(CEPC)。FCC-ee在所需的质心能量下提供非常高的亮度。然而，可以达到的最大能量受到对撞机环中同步辐射发射的限制，对于一台周长为100 的机器来说，相当于365GeV的质心能量。线性对撞机在没有同步辐射的情况下加速粒子，因此可以达到更高的能量。国际劳工中心最初的运行电压为250GeV，可扩展到1 TeV，而最高的能源提案CLIC已设计为达到3 TeV。然而，要用直线加速器获得更高的能量，必须克服两个主要挑战：第一，光束必须在通过主直线加速器的单个通道中加速到全部能量；第二，它在一次碰撞中只能使用一次。在较高能量下，直线加速器必须更长(对于1 TeV ILC和3 TeV CLIC，约为50 km)，因此成本更高，而光束的单次碰撞也限制了合理功耗所能达到的亮度。

克服这些问题的一个巧妙的解决方案是用µ子和反µ子取代电子和正电子。在µ子对撞机中，不是普通物质成分的基本粒子将第一次发生碰撞。µ子的重量是电子的200倍，它发出的同步辐射要少20亿倍。因此，环可以用来有效地加速µ子束，并使它们反复碰撞。此外，可以同时进行多个实验，以增加收集的数据量。如果能够掌握这项技术，似乎有可能达到光度与光束功率的比率，该比率随着能量的增加而增加。问题是，µ子的平均寿命为2.2Gbps，这导致进入存储环之前产生的µ子数量减少了大约一个数量级。因此，人们必须相当快地产生、加速和碰撞µ子；这种快速处理提供了这样一个项目的主要挑战。

µ子对撞机的发展没有提交给欧洲战略进程的其他轻子对撞机方案那么先进。因此，多TeVµ子对撞机的独特潜力值得大力承诺，以充分证明其可行性。提交给战略更新的广泛研究表明，在多TeV能量范围内的µ子对撞机在精度和发现机器方面都将具有竞争力，而且社区的充分努力可以证明，在几TeV的能量范围内运行的µ子对撞机可以在大约20年的时间尺度上准备就绪。虽然高能下的全部物理能力仍有待量化，如果µ子对撞机上的光束能量和探测器分辨率可以保持在百万分之几的水平，那么产生的希格斯玻色子的数量将使希格斯耦合到费米子和玻色子的测量具有极高的精确度。在较低能量下运行的µ子对撞机，例如为拟议的fcc-ee(250GeV和365GeV)或第一阶段CLIC机(380GeV)运行的µ子对撞机，尚未进行详细研究，因为束流诱导的背景将更加苛刻，需要仔细优化机器参数才能达到所需的光度。此外，一台产生10 TeV或更大质量能量、光度为10 35 cm-2 s-1数量级的µ子对撞机将允许直接测量希格斯玻色子的三线性和四线性自耦合，从而能够精确确定希格斯势的形状。虽然在µ子对撞机上实现的希格斯测量的精度还没有得到充分的评估，无法与其他FU进行比较

关于雄心勃勃的µ子电离冷却复合体(图2)，这是MAP的质子驱动µ子对撞机计划的关键挑战，µ子电离冷却实验(MICE)合作最近发表了证明该技术可行性的结果(CERN Courier 2020年3月/4月p7)。由于目标中质子相互作用产生的µ子呈现出一种相当无纪律的状态，小鼠开始展示它们的横向相空间可以通过使光束通过能量吸收材料并加速嵌入在聚焦磁晶格中的结构来冷却-所有这些都是在µ子有时间衰减之前。要使该方案工作，由于电离能量损失引起的冷却(在横向相空间压缩光束)必须超过由于吸收体内多个库仑散射引起的加热。因此，具有低多次散射和长辐射长度的材料，如液氢和氢化锂，是理想的。

MICE是以英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的ISIS中子和µ子源为基础的，于2005年获得批准。利用2018年收集的数据，MICE的合作能够确定µ子通过吸收体之前和之后在4D相空间中离光束中心的距离(所谓的振幅或“单粒子发射度”)，由此可以估计已经发生的冷却程度。结果(图3)表明，电离冷却发生在液氢或氢化锂吸收器到位的情况下。基于Geant4的模拟发现，实验数据得到了很好的描述，验证了最终µ子对撞机的电离冷却通道的设计。迈向µ子对撞机的下一个重要步骤将是设计和建造一个冷却模块，将腔体与磁铁和吸收器结合起来，并实现完全的“6D”冷却。这一努力可能得益于费米实验室对可以在非常高的磁场中工作的加速腔的测试，以及为CLIC研究进行的正常导电腔的研发，该研究将加速梯度推到了极限。

对撞环本身是µ子对撞机的另一个具有挑战性的方面。由于µ子的随机衰变，注入光束的电荷随着时间的推移而减少，因此需要具有最高可能磁场的超导磁体来最小化环周长，从而最大化平均碰撞次数。较大的µ子能量使光束更难弯曲，因此需要较大的环形周长。幸运的是，µ子的寿命也随着其能量的增加而增加，这完全补偿了这种影响。磁场为10.5 T的偶极磁铁将允许µ子存活约2000圈。这种磁铁的威力比大型强子对撞机中的磁铁高20%左右，可以用铌锡(Nb3Sn)制成，就像HL-LHC的新磁铁中所用的那样(参见驯服明天的超导体)。

µ子衰变时产生的电子和正电子给磁体设计带来了额外的挑战。衰变产物将撞击磁体，并可能导致失超(磁体突然失去其超导电性，迅速释放大量储存的能量)。因此，保护磁铁是很重要的。考虑的解决方案包括使用可以放置屏蔽材料的大口径磁铁，或者设计磁铁在束流平面内没有超导体。未来基于高温超导体的磁体也可以帮助提高弯头的稳健性，因为它们可以承受更高的热负荷。

µ子对撞机所需的其他系统看起来只是更传统一些。将光束加速到碰撞能量的环就是一个很好的例子。它必须在毫秒或更短的时间内使光束能量倾斜，这意味着光束必须以非常不同的能量通过相同的磁铁循环。目前正在探索几种解决方案。一种是以所谓的固定场交替梯度环为特色的，它使用了一个复杂的磁体系统，使能量范围比正常范围更广的粒子能够在足够接近的不同轨道上飞行，以适应相同的磁孔。另一种可能性是使用快速上升的同步加速器：当光束以低能注入时，通过在低场下操作弯曲磁铁使其保持在轨道上。然后光束被加速，弯曲的强度相应地增加，直到光束可以被抽出到对撞机中。然而，要使超导磁体以所需的速度倾斜是非常具有挑战性的。正常导电的磁体可以做得更好，但是它们的磁场是有限的。因此，加速器环必须比对撞机环大，对撞机环可以使用最大强度的超导磁体，而不需要让它们倾斜。结合静态超冷的系统

基于µ子的设施有可能在超过3 TeV的质心能量下提供轻子-反轻子碰撞，并彻底改变中微子束的产生。这样的设施可以建在哪里呢？最近已经讨论了在27 周长的大型强子对撞机隧道中安装14 电子伏µ子对撞机，而另一种选择是使用大型强子对撞机隧道来加速µ子，并为实际的对撞机建造一个新的、更小的隧道。据估计，这样的设备提供的物理距离可与100TeV的圆形强子对撞机相媲美，例如拟议中的未来圆形对撞机( -HH)。一个具有潜在较低中微子辐射的类似引理的正电子驱动器方案可能会进一步扩大这一能量范围。长期以来，费米实验室也一直被认为是一个潜在的µ子对撞机地点，而且已经证明，µ子设施的占地面积足够小，足以容纳现有的费米实验室或欧洲核子研究组织(CERN)的地点。然而，这种机器的实际性能和可行性必须通过一项详细的可行性研究来确认，该研究确定了解决其具体问题所需的研发，特别是现有设施与µ子衰变的兼容性。最小化场外中微子辐射是高能µ子对撞机设计和土木工程方面面临的主要挑战之一，因为虽然相互作用的概率很小，但在对撞机平面的一个非常小的区域内，中微子的总通量足够高，足以产生局部辐射，可以达到自然辐射水平的一小部分。光束摆动，即周期性地修改晶格，以使指向地球表面的中微子通量扩散，是承诺之一。

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