LH$\mu$C: A high energy, high luminosity muon-hadron collider at CERN

技術要約：LH𝜇C – CERNにおける高エネルギー・高輝度ミューオン・ハドロン衝突型加速器

問題提起
本論文は、提案されているLHeC（電子・ハドロン衝突型加速器）やFCC-eh（将来の円形衝突型加速器）のエネルギー・スケールを大幅に上回る、量子色力学（QCD）、電弱物理学、および標準模型を超える物理（BSM）現象を探索可能な、次世代のレプトン・ハドロン衝突型加速器の必要性に対処している。LHeCは電子ビームを利用するが、著者はより高い重心エネルギー（最大7.5 TeV）と、同等またはそれ以上の輝度を実現するために、ミューオン・ハドロン衝突型加速器（LH𝜇C）を提案している。主要な技術的課題として、実現可能な時間枠内でミューオンをマルチTeVのエネルギーまで生成・加速すること、すなわち、従来のイオン化冷却や、磁場ランプ速度の制限に関する急速サイクル同期加速器（RCS）の制約を克服することが挙げられている。

手法とコンセプト
LH𝜇Cのコンセプトは、既存のLHeCインフラストラクチャ、具体的にはエネルギー回収リニアック（ERL）コンポーネントの主要な再利用と、最近の$\mu$TRISTAN提案から派生した新しいミューオン源および加速スキームに基づいている。

• ミューオン源: 従来のイオン化冷却の代わりに、この設計では、J-PARCおよびKEKで開発された超低温反ミューオン（$\mu^+$）の源に依存している。この手法は、エアロゲル（あるいは新しい研究における高温タングステンワイヤー）中でパイ中間子の崩壊からミューオンを停止させ、「熱的」なミューオニアを形成し、その後レーザーによって拡散・イオン化するものである。この技術は、特に$\mu^+$生成に適用可能であるとされている。
• 加速スキーム: 高速ランプ磁場の制約を受けることなく、約1 GeVから1または2 TeVの衝突エネルギーまで反ミューオンを加速するために、垂直固定傾斜漸近加速（vFFAG）原理に基づく新しい加速スキームを提案している。潜在的な構成としては、LHeCのデザインから引き継いだ70 GeVまでの3パス加速に続き、500 GeVに到達するためのvFFFAビームライン、次いで1 TeVまたはそれ以上に到達するための2つのvFFAGビームラインを備えた1パスLHeCリニアックが含まれる。
• マシン・レイアウト: 設計では、1 TeV（または2 TeV）の$\mu^+$ビームをLHCの7 TeV陽子ビームと衝突させることを想定している。これにより、重心エネルギー（$\sqrt{s}$）は5.3 TeVまたは7.5 TeVとなる。ミューオン・ブースター・リング（周囲約9 km）は、LHCに対して接線方向に配置されたメインリング（3–6 km）にビームを転送する。
• 相互作用領域（IR）: 2つの集束オプションが検討されている。LHeCと同様にLHCのミニベータ四重極線の「間」で集束する方法、またはリニアラー型の「外側」での集福である。ミューオン・バンチの大きな時間間隔のため、小さな交差角で十分である。ミューオンと陽子のビームを物理的に分離するために、新しいセパレーター・双極子磁石が提案されている。
• 検出器戦略: ヘルメティックな被覆とバランスの取れたトラッキング／カロリメトリを提供する、ベースラインとなるLHeC検出器の適応を提案している。主な修正は、シンクロトロン放射ではなく、ビーム・ミューオンの崩壊によるバックグラウンドを処理するために必要となる。これには、計測損失を最小限に抑えつつバックグラウンドを抑制するための、専用の「ノズル」遮蔽体の検出器内部への設置が含まれる。設計では、終状態にTeVスケールのミューオンが存在することを想定しており、高横運動量（$p_T$）ミューオンのためのCMSのようなミューオン検出器や、小角度に散乱したミューオンのための特別なソリューションが必要になる可能性がある。

主要な結果とパラメータ
本研究は、予備的な設計パラメータと運動学的投影を示す：

• エネルギーと輝度: LH𝜇Cは$10^{34} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$を超えるピーク輝度を目標としている。1 TeVのミューオンビームの場合、重心エネルギーは5.3 TeVであり、2 TeVのビームの場合、7.5 TeVに達する。
• 運動学的到達範囲: この衝突型加速器は、$(x_{Bj}, Q^2)$平面において、LHeCと比較して1桁以上、HERAと比較して2桁以上大きな運動学的拡張を提供する。これにより、レプトン・イオン散乱におけるパートン非線形効果や核効果のユニークな研究が可能となる。
• ビーム特性: 保守的な収量（$\mu$TRISTANの投影の5%）と4 MWの陽子ドライバーを仮定すると、設計では250 ns間隔で80個のバンチを持つミューオン・トレインを想定しており、衝突頻度は4 MHz、繰り返し率は12.5 Hzである。
• ニュートリノ出力: この複合施設における重大な「副次的効果」は、ブースター・リニアックおよびメインリングの直線セクションの3方向において、強烈で高度にコリメートされた$\nu_e$および$\bar{\nu}_\mu$ビームが生成されることである。そのエネルギーは1 GeVからトップエネルギーまで分布している。

意義と科学的展望
本論文は、LH𝜇Cが強力な「ヒッグス・電弱・トップ（HET）ファクトリー」として機能すると主張しており、以下の点を提供する：

1. 精密物理: より広い$Q^2$範囲により、電弱パラメータ（$M_W$, $\sin^2 \theta_W$）の決定精度が向上し、トップクォークの電荷および閾値生成の精密測定が可能になる。
2. ヒッグス物理: LHeCと同等またはそれ以上のヒッグス結合（特にZおよびWボソンへの結合）に対する感度を持ち、高い重心エネルギーによりヒッグス自己結合を測定できる可能性がある。
3. BSMおよび稀な過程: ユニークな初期状態と高エネルギーを活用した、BSM探索および$\gamma\gamma$物理のための独自のプラットフォーム。
4. ニュートリノ科学: ヨーロッパにおける強力でユニークなニュートリノ研究プラットフォームの提供。

著者は、LH𝜇Cを単独の施設としてだけでなく、ミューオン衝突型加速器の開発のための「テストベンチ」として機能し、相乗効果をもたらすプロジェクトとして位置づけている。さらに、FCC-hhやHE-LHCのような将来の施設に対する、コスト効率の高い拡張案としても提示されており、30 TeV（または15 TeV）でのミューオン・陽子衝突や、高フラックスのニュートリノ生成を可能にする可能性がある。本論文は、たとえ初期の低輝度運転であっても、QCD研究のための運動学的到達範囲を劇的に拡大させるだろうと結論付けている。