FCC-μe: High Energy, High Luminosity Muon-Electron Collider & Neutrino Factory at CERN

技术摘要：FCC-µe 概念

问题与动机
本文探讨了拟议中的未来环形对撞机电子-正电子模式（FCC-ee）的局限性，即其无法达到直接研究希格斯玻色子自相互作用所需的质心能量。由于 FCC-ee 受限于较低的能量，FCC-µe 概念提出了一个能够与现有的 FCC-ee 电子束碰撞超冷反缪子（$\mu^+$）的并行设施。该配置旨在实现 1 到 2 TeV 之间的质心能量（若使用 5 TeV 缪子束，则可达到 1.9 TeV），且平均亮度超过 $10^{34} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$。

确定的主要科学动机包括：

1. 希格斯自相互作用： 直接获取希格斯玻色子对产生过程（$\mu^+ e^- \to \mu^+ e^- HH$）的途径，这在 FCC-ee 的能量下是无法实现的。
2. 希格斯耦合： 通过规范玻色子融合产生的单希格斯产生过程，进行具有竞争力的耦合测量。
3. 新物理： 对带电轻子味破坏（CLFV）和超对称粒子产生机制具有独特的敏感性。
4. 背景削减： 与 $e^+e^-$ 或 $\mu^+\mu^-$ 对撞机不同，$\mu^+e^-$ 初始态缺乏 $s$ 道湮灭过程，从而显著降低了背景水平（特别是 $s$ 道 $ZH$ 背景）。
5. 中微子科学： 该设施将同时作为一个强大的中微子工厂运行，产生高强度、准直的 $\nu_e$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 波束。

方法论与概念
FCC-µe 概念建立在 $\mu$TRISTAN 提案和近期 LH$\mu$C（LHC 缪子对撞机）框架的发展基础之上。拟议的布局包括：

• 源： 一个超冷 $\mu^+$ 源（参考 J-PARC 的能力），能够实现远低于 1 $\mu$m 的横向归一化发射度（$\epsilon_n$）。
• 加速： 一个 $\mu^+$ 提升系统，包含两个线性加速器（继承自 LHeC 概念），周长约为 9 km。
• 存储： 一个主缪子存储环（周长约 6 km），能够存储 2 TeV 的束流；未来的阶段考虑使用高温超导（HTS）磁体来存储 5 TeV 的束流。
• 碰撞： 在 PL 相互作用点（IP），将存储的 $\mu^+$ 束流与 FCC-ee 电子束进行头对头碰撞。该设施设计为与 FCC-ee 同时运行，尽管也考虑了“独立”运行的情况。

相互作用区（IR）的设计与标准的 $e^+e^-$ IR 显著不同。它具有较大的中心束管（半径约 2 cm），以容纳非碰撞正电子束与 $\mu^+$ 束流的分离，其中 $\mu^+$ 束流在距离 IP 较远的地方分离。需要特殊的屏蔽（“喷嘴”）来保护中央探测器免受来自上游缪子衰变产生的高能正电子的影响。

主要贡献与结果
论文对 FCC-µe 进行了初步的性能评估和布局设计：

• 亮度性能： 假设采用保守的 $\mu^+$ 产量（为“终极” $\mu$TRISTAN 提案的 10%）并配备 4 MW 质子驱动器，对于碰撞 120 GeV 电子的 2 TeV $\mu^+$ 束流，该设施预计可达到 $3.2 \times 10^{34} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ 的峰值亮度。平均亮度估计约为峰值的 38%。
• 希格斯对敏感度： 对于 $W$ 玻色子融合（$WW \to HH$）的蒙特卡洛研究表明，其信号截面和不可约背景与相同能量下的 $\mu^+\mu^-$ 对撞机相当。
  • 在 $\sqrt{s} = 1$ TeV、积分亮度为 1 ab$^{-1}$ 时，希格斯三重自耦合（$\lambda_3$）的精度预计将接近高亮度 LHC（HL-LHC）。
  • 在 $\sqrt{s} = 2$ TeV、积分亮度为 3 ab$^{-1}$ 时，对于非极化反缪子，预计精度约为 20%；如果实现 80% 的束流极化，预计会有显著提升。
• 束流参数： 设计使用由 80 个束团组成的 $\mu^+$ 串，间隔为 250 ns，重复频率为 12.5 Hz。相互作用点处的束流尺寸与电子束相匹配，其中 $\sigma_x \approx 4 \mu$m 且 $\sigma_y \approx 0.6 \mu$m。
• 中微子输出： 该设施将在三个方向（沿两个提升器线性加速器和主环直段）产生强烈的中微子波束，能量范围从 1 GeV 到顶端束流能量。

意义与展望
论文总结道，FCC-µe 提供了一个独特的、高能、高亮度的平台，能够补充 FCC-ee 计划。其重要性在于：

1. 直接获取高能物理： 实现首次对希格斯自相互作用的直接测量，并在 TeV 能标下探测 CLFV 过程。
2. 技术演示： 5 TeV 阶段将作为面向未来 FCC-hh 项目的高温超导（HTS）磁体技术的演示。
3. 中微子科学： 为欧洲提供一个“免费”且强大的中微子工厂，提供独特的研究机会。
4. 未来存储环： 论文指出，超冷反缪子束流的开发对于任何未来的高能存储环都是相关的，而不仅仅是针对 FCC。

作者强调，虽然该概念依赖于现有提案（$\mu$TRISTAN, LH$\mu$C），但其与 FCC-ee 的同时运行最大限度地减少了额外的束流-束流效应，使得集成成为可行。该设施被视为 CERN 物理计划的一个可行扩展，旨在最大化 FCC 基础设施的科学回报。