Войти
Проект компактного линейного коллайдера Компактный линейный коллайдер (CLIC ) представляет собой концепцию будущего линейного ускорителя частиц, цель которого - исследовать следующую энергетическую границу. CLIC будет сталкивать электроны с позитронами и в настоящее время является единственным зрелым вариантом для линейного коллайдера на несколько ТэВ. Ускоритель будет иметь длину от 11 до 50 км (от 7 до 31 мили), что более чем в десять раз длиннее, чем существующий Stanford Linear Accelerator (SLAC) в Калифорнии, США. CLIC предлагается построить в ЦЕРН, на границе между Францией и Швейцарией около Женевы, с первыми балками начиная с того времени, когда Большой адронный коллайдер (LHC) завершит работу примерно в 2035 году.
Ускоритель CLIC будет использовать новую технику двухлучевого ускорения при ускорении градиент 100 M V / м, а его поэтапное построение обеспечит столкновения в трех центре масс энергии до 3 ТэВ для оптимальной физической досягаемости. Исследования и разработки (НИОКР) проводятся для достижения высоких физических целей высокой точности при воздействии пучка и фоновые условия.
CLIC стремится открыть новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, посредством прецизионных измерений свойств Стандартной модели, а также прямого обнаружения новых частиц. Коллайдер будет обладать высокой чувствительностью к электрослабым состояниям, превышающей предсказанную точность полной программы LHC. Текущий проект CLIC включает возможность для электронного луча поляризация.
Сотрудничество CLIC подготовило отчет о концептуальном проекте (CDR) в 2012 году, дополненный обновленным сценарием ступенчатого изменения энергии в 2016 году. Дополнительные подробные исследования физического случая для CLIC, усовершенствованная конструкция ускорительного комплекса и детектора, а также многочисленные результаты исследований и разработок обобщены в недавней серии желтых отчетов ЦЕРН.
Существует два основных типа коллайдеров частиц, которые различаются типами сталкивающихся частиц: лептонные коллайдеры и адронные сталкиваются. rs. Каждый тип коллайдера может создавать разные конечные состояния частиц и может изучать разные физические явления. Примерами адронных коллайдеров являются ISR, SPS и LHC в ЦЕРНе, а также Tevatron в США. Примеры лептонных коллайдеров: SuperKEKB в Японии, BEPC II в Китае, DAFNE в Италии, VEPP в России, SLAC в США и Большой электрон-позитронный коллайдер в ЦЕРНе. Некоторые из этих лептонных коллайдеров все еще работают.
Адроны - это составные объекты, которые приводят к более сложным столкновениям и ограничивают достижимую точность физических измерений. Лептонные коллайдеры сталкиваются с элементарными частицами, поэтому начальное состояние каждого события известно и можно достичь более точных измерений.
Ускоритель CLIC с энергетическими ступенями 380 ГэВ, 1,5 ТэВ и 3 ТэВ Предполагается, что CLIC будет построен и будет работать в три ступени с разными значениями энергии центра масс: 380 ГэВ, 1,5 ТэВ и 3 ТэВ. Ожидается, что интегральные светимости на каждой стадии будут равны 1 ab, 2,5 ab и 5 ab соответственно, обеспечивая широкую физическую программу на 27-летний период. Эти энергии центра масс были мотивированы текущими данными LHC и исследованиями физического потенциала, проведенными в исследовании CLIC.
Уже при 380 ГэВ CLIC имеет хорошее покрытие Стандартной модели физика; энергетические ступени за пределами этого диапазона позволяют открывать новую физику, а также повышать точность измерений процессов Стандартной модели. Кроме того, CLIC будет работать на пороге топ-кварка образования пар около 350 ГэВ с целью точного измерения свойств топ-кварка.
CLIC позволит исследовать новые энергетические диапазоны, предоставить возможные решения оставшихся без ответа проблем и позволит открывать явления, выходящие за рамки нашего нынешнего понимания.
Текущие данные LHC предполагают, что частица, обнаруженная в 2012 году, является бозоном Хиггса, как предсказано Стандартной моделью физики элементарных частиц.. Однако БАК может лишь частично ответить на вопросы об истинной природе этой частицы, например о ее составной / фундаментальной природе, силе связи и возможной роли в расширенном электрослабом секторе. CLIC мог бы изучить эти вопросы более глубоко, измерив связи Хиггса с точностью, недостижимой ранее. Стадия CLIC на 380 ГэВ позволяет, например, проводить точные независимые от модели измерения связей Хиггса бозона с фермионами и бозонами посредством процессов образования Хиггсовского излучения и WW-синтеза. Вторая и третья стадии открывают доступ к таким явлениям, как связь топ-Юкавы, редкие распады Хиггса и самосвязь Хиггса.
Событие топ-кварка при 3 ТэВ, реконструированный в смоделированном детекторе для CLIC Топ-кварк, самая тяжелая из всех известных фундаментальных частиц, в настоящее время никогда не исследовался в столкновениях электрон - позитрон. Линейный коллайдер CLIC планирует иметь обширную программу по физике топ-кварков. Основной целью этой программы было бы пороговое сканирование вокруг порога образования пар топ-кварков (~ 350 ГэВ) для точного определения массы и других важных свойств топ-кварка. Для этого сканирования CLIC в настоящее время планирует выделить 10% рабочего времени первого этапа, собрав 100 фб. Это исследование позволило бы определить массу топ-кварка теоретически хорошо определенным способом и с более высокой точностью, чем это возможно на адронных коллайдерах. CLIC также будет стремиться измерить электрослабые связи топ-кварка с Z-бозоном и фотоном, поскольку отклонения этих значений от тех, которые предсказывает Стандартная модель, могут свидетельствовать о новых физических явлениях., например, дополнительные измерения. Дальнейшее наблюдение распадов топ-кварков с нейтральными токами, изменяющими аромат, в CLIC было бы косвенным указанием на новую физику, так как они не должны быть замечены CLIC в соответствии с текущими предсказаниями Стандартной модели. 90>
CLIC могла открывать новые физические явления либо посредством косвенных измерений, либо путем прямого наблюдения. Большие отклонения в точных измерениях свойств частиц от прогноза Стандартной модели косвенно сигнализируют о наличии новой физики. Такие косвенные методы открывают доступ к энергетическим масштабам, выходящим далеко за пределы доступной энергии столкновения, достигая чувствительности до десятков ТэВ.
Примеры косвенных измерений, которые CLIC могла бы выполнить при 3 ТэВ: использование образования пар мюонов для получения доказательства существования Z 'бозона (до ~ 30 ТэВ), указывающего на простое расширение калибровки за пределы Стандартная модель ; использование рассеяния векторных бозонов для понимания механизма нарушения электрослабой симметрии; и используя комбинацию нескольких конечных состояний для определения элементарной или составной природы бозона Хиггса (охват масштабов составности до ~ 50 ТэВ).
Прямое парное рождение частиц с массой до 1,5 ТэВ, и производство одиночных частиц с массой до 3 ТэВ возможно в CLIC. Благодаря чистой среде электронно-позитронных коллайдеров, CLIC сможет измерить свойства этих потенциальных новых частиц с очень высокой точностью. Примеры частиц, которые CLIC может непосредственно наблюдать при 3 ТэВ, - это некоторые из тех, которые предлагаются теорией суперсимметрии : чарджино, нейтралино (оба ~ ≤ 1,5 ТэВ) и слиптоны (≤ 1,5 ТэВ).
Чтобы достичь желаемой энергии пучка 3 ТэВ, сохраняя при этом длину ускорителя компактной, CLIC нацелена на ускоряющуюся уклон до 100 МВ / м. CLIC основан на нормальных проводящих резонаторах ускорения, работающих при комнатной температуре, поскольку они допускают более высокие градиенты ускорения, чем сверхпроводящие резонаторы. При использовании этой технологии основным ограничением является скорость пробоя высокого напряжения (BDR), которая следует эмпирическому закону 
| Параметр | Символ | Единица | Этап 1 | Этап 2 | Этап 3 |
|---|---|---|---|---|---|
| Энергия центра масс |  | ГэВ | 380 | 1500 | 3000 |
| Частота повторения | ƒповтор | Hz | 50 | 50 | 50 |
| Количество пучков в последовательности | nb | 352 | 312 | 312 | |
| Разделение пучков | Δt | ns | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Длина импульса | RF | ns | 244 | 244 | 244 |
| Ускоряющий градиент | G | МВ / м | 72 | 72/100 | 72/100 |
| Общая светимость | L | 10 см | 1,5 | 3,7 | 5,9 |
| Светимость выше 99% от | L0,01 | 10 см | 0,9 | 1,4 | 2 |
| Суммарная интегральная светимость за год | Lint | fb | 180 | 444 | 708 |
| Длина главного туннеля линейного ускорителя | km | 11,4 | 29,0 | 50,1 | |
| Количество частиц в сгустке | N | 10 | 5,2 | 3,7 | 3,7 |
| Длина сгустка | σz | μm | 70 | 44 | 44 |
| IP-пучок размер | σx/σy | nm | 149 / 2,9 | ∼60 / 1,5 | ∼40 / 1 |
| Нормированный эмиттанс (конец линейного ускорителя) | εx/εy | nm | 900/20 | 660 / 20 | 660/20 |
| Конечный среднеквадратичный разброс энергии | % | 0,35 | 0,35 | 0,35 | |
| Угол пересечения (при IP) | мрад | 16,5 | 20 | 20 |
Чтобы достичь этих высоких градиентов ускорения при сохранении доступного энергопотребления, CLIC использует новую схему двухлучевого ускорения: так называемая ведущая балка проходит параллельно встречный Главный Луч. Приводной луч замедляется в специальных устройствах, называемых структурами извлечения и передачи энергии (PETS), которые извлекают энергию из приводного луча в виде мощных радиочастотных (RF) волн, которые затем используются для ускорения основных Луч. До 90% энергии приводного луча извлекается и эффективно передается в главный луч.
Общая схема ускорительного комплекса CLIC для ступени 3 ТэВ, в которой можно идентифицировать два движущих луча и два главных луча инжекторные комплексы. Электроны, необходимые для главного луча, производятся путем освещения GaAs -типа катода поляризованным модулем добротности лазер, и имеют продольную поляризацию на уровне 80%. Позитроны для главного луча создаются путем направления электронного луча 5 ГэВ на мишень из вольфрама . После начального ускорения до 2,86 ГэВ и электроны, и позитроны попадают в демпфирующие кольца для уменьшения эмиттанса за счет затухания излучения. Затем оба луча дополнительно ускоряются до 9 ГэВ в общем ускорительном линейном ускорителе. Длинные передаточные линии транспортируют два луча к началу основных линейных ускорителей, где они ускоряются до 1,5 ТэВ перед попаданием в систему доставки луча (BDS), которая сжимает и приводит лучи в столкновение. Два луча сталкиваются в IP с пересечением 20 м рад под углом в горизонтальной плоскости.
Каждый комплекс приводных лучей состоит из линейного ускорителя длиной 2,5 км, за которым следует комплекс рекомбинации управляющих лучей: система линий задержки и объединительных колец, в которых входящие импульсы луча перемежаются, чтобы в конечном итоге сформировать последовательность 12 ГГц и локальный ток луча как высокий как 100 A. Каждый линейный ускоритель Drive Beam длиной 2,5 км питается от клистрона с частотой 1 ГГц. Это дает пучок длиной 148 мкс (для сценария энергетической ступени 1,5 ТэВ) с частотой группировки 0,5 ГГц. Каждые 244 нс фаза группирования переключается на 180 градусов, то есть нечетные и четные сегменты на частоте 1 ГГц заполняются поочередно. Это фазовое кодирование допускает рекомбинацию первого фактора два: нечетные группы задерживаются в цикле задержки (DL), в то время как четные группы обходят ее. Время пролета DL составляет около 244 нс и настроено на пикосекундном уровне, так что две последовательности сгустков могут сливаться, образуя несколько последовательностей длиной 244 нс с частотой группировки на 1 ГГц, разделенных на 244 секунды. нс пустого места. Эта новая временная структура допускает дополнительную рекомбинацию фактора 3 и фактора 4 в следующих объединяющих кольцах с аналогичным механизмом, как в DL. Конечная временная структура луча состоит из нескольких (до 25) последовательностей сгустков длиной 244 нс на частоте 12 ГГц, разделенных промежутками примерно 5,5 мкс. Рекомбинация рассчитана по времени так, что каждый комбинированный поезд прибывает в свой собственный сектор замедлителя, синхронизированный с прибытием главного луча. Использование низкочастотных (1 ГГц) клистронов с длительным импульсом (148 мкс) для ускорения ведущего луча и рекомбинации пучка делает его более удобным, чем использование клистронов для прямого ускорения главного луча.
Изображение Двухлучевой модуль CLIC в испытательном центре CLIC, ЦЕРН (CTF3 ). Луч движется слева направо. Основные технологические проблемы конструкции ускорителя CLIC были успешно решены на различных испытательных установках. Создание и рекомбинация ведущего пучка, а также концепция двухлучевого ускорения были продемонстрированы на испытательном центре CLIC 3 (CTF3). X-диапазон высокомощные источники RF на основе клистрона были построены поэтапно на испытательном стенде с высоким градиентом X-диапазона (XBOX), ЦЕРН. Эти объекты обеспечивают ВЧ-мощность и инфраструктуру, необходимые для кондиционирования и проверки характеристик ускоряющих структур CLIC и других проектов на базе X-диапазона. Дополнительные испытания с высоким градиентом диапазона X проводятся на предприятии NEXTEF в KEK и в SLAC, новый испытательный стенд вводится в эксплуатацию в Университете Цинхуа и другие испытательные стенды строятся в INFN Frascati и SINAP в Шанхае.
Детектор CLIC с вырезом и этикетками Ультрасовременный Детектор необходим для получения прибыли от полного физического потенциала CLIC. Текущая конструкция детектора, получившая название CLICdet, была оптимизирована посредством полного моделирования исследований и исследований и разработок. Детектор следует стандартной конструкции детекторов грандиозных частиц на коллайдерах высоких энергий: цилиндрический детекторный объем со слоистой конфигурацией, окружающий ось пучка. CLICdet будет иметь размеры ~ 13 x 12 м (высота x длина) и вес ~ 8000 тонн.
CLICdet состоит из четырех основных слоев увеличивающегося радиуса: вершина и система слежения, калориметры, соленоид магнит и мюонный детектор.
Прототип кремниевого пиксельного детектора для CLIC: «CLICTD» - монолитная микросхема CMOS, содержащая как датчик, так и считывающее устройство, показанная здесь на плате электроники во время тестирования. Система вершин и слежения расположена во внутренней области CLICdet и предназначена для обнаружения положения и импульсов частиц с минимальным негативным воздействием на их энергию и траекторию. Вершинный детектор имеет цилиндрическую форму с тремя двойными слоями детекторного материала с увеличивающимся радиусом и имеет три сегментированных диска на каждом конце в спиральной конфигурации для облегчения охлаждения воздушного потока. Предполагается, что они изготовлены из кремниевых пикселей 25x25 мкм2 толщиной 50 мкм, и цель состоит в том, чтобы иметь разрешение по одной точке 3 мкм. Система слежения состоит из модулей кремния сенсоров, которые должны иметь толщину 200 мкм.
Калориметры окружают вершину и систему слежения и предназначены для измерения энергии частиц через абсорбцию. Электромагнитный калориметр (ECAL) состоит из ~ 40 слоев кремния / вольфрама в сэндвич-структуре; адронный калориметр (HCAL) имеет 60 стальных пластин поглотителя с сцинтилляционным материалом, вставленным между ними.
Эти внутренние слои CLICdet заключены в сверхпроводящий соленоидный магнит с полем прочность 4 T. Это магнитное поле искривляет заряженные частицы, позволяя проводить измерения импульса и заряда. Затем магнит окружают железным ярмом, которое будет содержать детекторы большой площади для идентификации мюонов.
Детектор также имеет калориметр светимости (LumiCal) для измерения продуктов Bhabha рассеяния событий, лучевого калориметра для завершения охвата ECAL до полярного угла 10 мрад и внутрипоследовательной системы обратной связи для противодействия потере светимости из-за относительных смещений луча-луча.
Вершины обтекания с газовым охлаждением. Строгие требования к материальному бюджету для вершины и системы слежения не позволяют использовать обычные жидкостные системы охлаждения для CLICdet. Поэтому предлагается использовать систему охлаждения сухого газа для этой внутренней области. В конструкции детектора учтены воздушные зазоры, позволяющие пропускать поток газа, который будет воздухом или азотом. Чтобы обеспечить эффективное воздушное охлаждение, необходимо снизить среднее энергопотребление кремниевых датчиков в вершинном детекторе. Следовательно, эти датчики будут работать по схеме импульсов мощности на основе тока: переключать датчики из состояния с высоким энергопотреблением в состояние с низким энергопотреблением, когда это возможно, в соответствии с частотой пересечения групповой передачи 50 Гц.
По состоянию на 2017 год примерно два процента годового бюджета ЦЕРН инвестируется в развитие технологий CLIC. Стоимость первой очереди CLIC протяженностью около 11 км (7 миль) в настоящее время оценивается в шесть миллиардов швейцарских франков. CLIC - это глобальный проект, в котором участвуют более 70 институтов в более чем 30 странах. Он состоит из двух коллабораций: детектора и физики CLIC (CLICdp) и исследования ускорителя CLIC. CLIC в настоящее время находится в стадии разработки, проводя исследования характеристик деталей и систем ускорителей, детекторные технологии и исследования по оптимизации, а также физический анализ. Параллельно с этим коллективы работают с теоретическим сообществом, чтобы оценить физический потенциал CLIC.
Проект CLIC представил два кратких документа в качестве входных данных для следующего обновления Европейской стратегии физики элементарных частиц (ESPP), суммирующих физический потенциал CLIC, а также статус проектов ускорителей и детекторов CLIC. Обновление ESPP - это процесс в масштабе всего сообщества, который, как ожидается, завершится в мае 2020 года публикацией стратегического документа.
Подробная информация о проекте CLIC доступна в желтых отчетах ЦЕРН, о потенциале CLIC для новой физики, плане реализации проекта CLIC и детекторных технологиях для CLIC. Обзор представлен в сводном отчете CLIC за 2018 год.
