TESLA - German Linear Collider

重心系エネルギーが300-500GeVのリニアコライダーでおこなえる物理はCERNで建設中のLHCでできる物理を補い合うものである。 TESLA （TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator)で実現される重心系エネルギーは
第一次計画 √s = 300-500GeV
第二次計画 √s = 800GeV
であり、第一次計画ではHiggsおよびtopの物理、第二次計画では標準理論を超える物理、特にSUSYに重点を置いて研究する。

2003年2月に出たドイツ政府の答申ではTESLA本体について、国際的な技術的・政治的動向を眺めつつ、現在の時点で建設について判断することは避けた。X-FELについては、ヨーロッパのプロジェクトとして予算の半分を拠出するという意味で、積極的なゴーサインが出された。しかしこれはTESLA本体の建設の布石とはならないと思う。

サイト選定：
TESLAのサイトはcollaborationの合意として、コストと時間を節約するため、現行の高エネルギー物理学研究所に作るということになっている。候補としてはDESY(ハンブルグ）とFNAL(シカゴ）がある。

プロジェクトコストおよび建設期間:
Linear Collider（検出器除く） 3136million EUR(4000億円）
XFEL 241million EUR(300億円）
また、建設には8年かかる。

TESLA はドイツのDESYで計画中のリニアコライダーである。日本のJLC等との大きな違いは、電子・陽電子を加速するために用いる高周波RFがL-band(1.3GHz)で、超伝導加速空洞(Superconducting Cavity)を用いていることである。これはJLCのX-band(11.4GHz)やC-band(5.7GHz)より低い。この理由として、一つには波長の長くエネルギーピークの低いRFを使うことにより効率的にエネルギーを粒子に与えるよう構成したいという理由からである。また、粒子の軌道を攪乱する wake fieldが加速周波数のおおむね2乗から3乗に比例することから、周波数を低く抑える戦略をとったことにもよる。

超伝導RF空洞を使ったことによる利点は以下のとおり：
加速空洞は絶対温度2Kに冷やしたニオブ合金。RFのパルス長も1msとし、バンチ間隔も337nsと長くとれるため、head-on collisionも可能になった。パルス長、バンチ間隔が長いためフィードバックが有効に効き、従ってTESLAの構造物及びそのアライメントの精度、微小振動に対する要求は比較的緩やかである。zero crossing angleでアパーチャの大きな四重極子磁石を使えバックグラウンドも押さえられる。緊急事態の場合にパルス幅の数分の一の時間でビームを停止できる。

実機の超伝導加速空洞では9-cell 10mのものを使用する予定である。そこでTESLA Test Facilityでこれについて各種のR&Dを行ってきた。この結果、

• single cellで42MeV/m
  
• 現在5セルで26-28MeV/mを達成。
  
• 9 cellで平均22MeV/m。現在12ｍで23MeV/mを達成。
  

この超伝導加速空洞はコーネル大学のCEBAFで実用化され、すでにdesign gradient 5MeV/mを実用的に達成している。

X-ray Free Electron Laser(FEL) (Self Amplified Spontaneous Emission X-ray source)

断面積の小さな電子ビームを規則的に磁石を並べたundulator(図）に通すと、synchrotron radiationによってコヒーレントな光子を放出する。これがX-FELの基本的な原理である。これはもともとSLACで提案されたものである。このX線は100fsのごく短いパルスで、現在の放射光施設で得られるX線の30psに比べても非常に短い。波長も自由に変えられる。TTFでは波長を80nmから180nmの範囲で変化させることに成功した。最終的には6nmの波長でオペレーションする予定である。

陽電子の数はパルスあたり5x10^13が要求される。これは一般的な厚いターゲットに電子を打ち込む生成法では達成できない。そこで薄いターゲットにγ線を照射し電子・陽電子生成を行なう。γはMain Linacで加速した電子(150GeV)をIPに入れる前にundulatorを通過させることによって作る。これによって生じる電子エネルギーのfluctuationは0.1%程度である。
これによる利点は、ターゲットが薄いため生じる陽電子のエミッタンスが小さくなること、陽電子生成用の電子加速器の開発が必要ないこと、helical undulatorを使うことにより偏極陽電子が生成できること、である。ちなみに陽電子偏極率は45%～60%である。

Dumping ringは、1mmのパルス長を達成するためにはcompressed mode(1/16)でも18km必要になるため、長さ8kmのdog boneタイプのものにし、main linacと同じトンネルに収容する。

main linacの設計思想は加速周波数を長く採り制御を簡単にする一方、cryogenic systemにお金をかけるということである。main liniacは長さ1mのsuperconducting cavity(超伝導加速空洞)1万個から構成され、12個のcavityがひとつのcryostatに接続されている。またkryostron(9.5MW)は36の9-cell cavityにRFを供給する。cryogenic systemはLHCで使われるものと同等のサイズで、linac 5kmに対し、ひとつ設置される。final foucus systemはSLACでテストに成功したものと同じものを使用する。IPではapertureの大きなquadrupole magnetを使用するためbeam backgroundを減らすことができる。bunch-to-bunchおよびpulse-to-pulse feedbackをかけることにより精度の高いビームを供給する。

IP付近では3.3kmにわたってマグネットが直線トンネルに並べられており、400GeVのビームエネルギーにも対応できるようになっている。ビームサイズはfinal forcusで553nm、5nmとなる。これはビーム・ビーム反応によるエネルギーロスを減らすためである。現在のところこれは数％程度と予想されている。これは次のように説明できる。
ルミノシティは以下の式で決定される：

n_b: パルスあたりのバンチ数
N_e:バンチあたりの電子数
f_rep:パルスの繰り返し周波数
σ^*_x,y:IPでの水平（垂直）方向のビームサイズ
H_Ddisruption enhancement factor(typically H_D≈2 )
IPパラメータを選ぶ際に重要なのはbeamstrahlung、つまり反対方向へ向かうバンチで作られるspace charge fieldと反応して出るsynchrotron radiationの効果である。これによるエネルギーロスは

ｒ_e:古典電子半径
γ:相対論的係数(E_beam/m₀c²)

である。ビームエネルギーロスは平たいビームでは垂直方向のサイズに無関係になるので、平たいビームにすればするほどルミノシティが大きくなる。

linear colliderの性能はその長さで決まってくるのが常識だが、技術の向上によりそれを乗り越えられる。たとえば

• linacのfill factorを向上
  
• ニオブ合金のキャビティはプロトタイプで50MeV/mまで達成されている。
  
• fast piezo tunerを使うことによってtuneを向上することが可能。
  

これにより第二次計画800GeVを達成する。

参考文献
TESLA Technical Design Report

Posted by senyo at February 07, 2003 12:56 PM