高橋 徹
広島大学大学院先端物質科学研究科

T.Takahashi Hiroshima

2006年9月1日
OHO06 KEK
1

衝突部の設計とは？
• MDI (Machine Detector Interface)と呼ばれる。
Detector

測定の対象： e+e-衝突による高エネルギー反応

これだけが起こるのであれば、Interfaceなどを考える必要は無いが、、
T.Takahashi Hiroshima2

GLD
Detector

T.Takahashi Hiroshima3

ビームライン上の現象
コリメータ
衝突点

ハローからのシンクロトロン放射
FFダブレット

T.Takahashi Hiroshima

測定器

引出線磁石

4

ビームライン上の現象~1.4kmビームハロー

ハローからのシンクロトロン放射
T.Takahashi Hiroshima

FFダブレット

測定器

とくにVTXをどこまでビームラインに近づけることができるか5

ビームライン上の現象~500m

ビームハロー

ミューオン

測定器
TPCやCALへの影響
T.Takahashi Hiroshima

6

ビームライン上の現象

ビーム・ビーム相互作用~10nm

2次粒子の発生

VTXやTPCへのBG~mm
電子（陽電子）のバンチは相手側から
T.Takahashi Hiroshima
非常につよい力をうける

7

ビームライン上の現象

FFマグネット

反対側のビームの引出マグネット
物理的に重ねることは不可能

T.Takahashi Hiroshima

8

GLD

T.Takahashi Hiroshima

9

MDI issue
物理・測定器

加速器・ビーム•高いルミノシティ•精密な測定•ビームにできるだけ近づく•精度の良い測定器•（しばしばBGに弱い）•正面衝突が望ましい•単色が良い•ビームの性質（エネルギー、偏極度）LCの特徴:
電子・陽電子ビーム
T.Takahashi Hiroshima•高いルミノシティ•高インテンシティ•強収束•大パワーのビーム•強いビーム相互作用•単色性•バックグランド•引き出し•ビーム交差角

10IPにおけるビーム相互作用E

e1010個のe+F = e( E + v × B )1)バンチ中の粒子1010個のe+Bρ
eE = eε0ρev × B = ecB = ec µ0 ρ = eε02F =01)反対から来る異符号の粒子eE
1010個のe+T.Takahashi Hiroshima

ev × BF = 2eE = 2ecB

11

バンチのつくる電場・磁場電荷のシートと近似する。

σ y ∼ 5nm

σ x ∼ 600nm
ρ ( x, z ) ∼ene

2πσ xσ zσ z ∼ 300 µ m≈ 2.8 ⎡⎣C / m 2 ⎤⎦よって電場・磁場はρ ( x, z )E≈∼ 1.6 × 1011 [V / m ]2ε 0

B = E / c ∼ 530 [T ]粒子の受けるちからはこの二つ和、kT程度の大強度磁場中を動くことになる。

T.Takahashi Hiroshima

12ビーム相互作用の影響I•Disruption と pinchi効果

fσz
ビームが反対側のバンチで引きつけられる効果をレンズに見立てる
2n r
σσz
Dx / y ≡ z = e eγ σ x / y (σ x + σ y )fx/ yT.Takahashi Hiroshima

13

ビーム相互作用の影響II• 強い磁場による放射– Beamstrahlung
3 cγ 3≈ 40GeVEc =2 R
ϒ≈40
∼ 0.16
250

R[m] ≈

P[GeV ]
250=
∼ 0.8[m]0.3B[T ] 0.3 ×1000

nγ (in bunch) ∼αγ
Rσ z ∼ 1.3

電子一個あたり1個のbeamstrahlung photonをだす。
正確な計算による評価はne re25γϒ ≡≈ 0.05
6 α σ z (σ x + σ y )T.Takahashi Hiroshima

2.16 α ne re1nγ / e ≡≈ 1.4
6 σ x + σ y 1+ ϒ 2/3
14

Beamtrahlung Photon
ILC nominal parametersnγ = 6.0 ×10(cf : ne = 2.0 × 1010 )Eγ[GeV]dL/dW[1033/cm2/s/10GeV]

nγ/2.5GeV

10

Ltot = 3.90 ×1033 cm −2 s −2

Wcm[TeV]T.Takahashi Hiroshima15

e+e-エネルギーとルミノシティ分布
ILC nominal parameters(CAINによるシミュレーション）

Ee[GeV]T.Takahashi Hiroshima

dL/dW[1033/cm2/s/20GeV]

Ne/5GeV

電子のエネルギー分布

e+e-ルミノシティー分布

Ltot = 1.83 × 1034 cm −2 s −2Ltot (0.49 < Wcm) = 1.58 ×1034 cm −2 s −2Wcm[TeV]16

beam相互作用の影響III• 対生成バックグランド
Breit-Wheeler
Bethe-Heitler

Landau-Lifshitz

γγ → e e+ −e ±γ → e ± e + e −beanstrahlung γ
virtual γe+ e− → e+ e− e+ e−

エネルギーが低い <O(100MeV)
ビーム相互作用で大角度へでる測定器の磁場の影響を受ける

T.Takahashi Hiroshimae+ or e-測定器に対するバックグランド源

17

対生成粒子の分布
B

Pt[MeV]CAINによるシミュレーションRθ

R=2cm w/ 3T
R=1cm w/ 3Tθ [mr ]
T.Takahashi Hiroshima

18

beam の交差角αc

IPの後のビームの引き出しからの要請
ビーム交差角のルミノシティへの影響（クラブ角なし、CAINによるシミュレーション）

ルミノシティ

×1034 [cm −2 / s ]実験にいろいろな影響をあたえる

T.Takahashi Hiroshima

α c [mr ]19

交差角の影響• 交差角が小さいとき、2mrの例
Radiative BhaBha, Sync. rad.
disrupted beam

IPから出て行くビーム、やBGが入射粒子用の beamstrahlung γ
マグネット中を通る
QC上のエネルギーロス
Qからの後方散乱
T.Takahashi Hiroshima

入射ビーム

高ルミノシティに不利
20

交差角の影響• 交差角が大きいとき（14mr、20mr等）– ビームに対する影響
ｙ

ソレノイド磁場zx測定器のソレノイドビームがz軸に対して角度をもって入ってくる。

T.Takahashi Hiroshima21

交差角のビームへの影響
ez
Bzxyz
スピンの歳差運動がおこる、、、シンクロトロン放射がおこる
T.Takahashi Hiroshima大きな交差角〜20mrでは問題となりうる
22

SeryiSid

T.Takahashi Hiroshima

23

DID

入射ビームは平行できた。
しかし、IPを通過したあとは水平方向の磁場が2倍になる。
ー＞低エネルギーの対生成BGに悪影響
T.Takahashi Hiroshima24

中間の交差角〜14mr• 入射ビームへの影響は少ない• 低エネルギーの対生成BGがソレノイド磁場と角度をもつ方が影響が大きい。
• DIDは状況をさらに悪化させる

中間の交差角では、DIDを逆転させて（Anti-DID）
入射ビームへのを影響を犠牲にしても、IPから出て行く対生成BGを改善した方がよい。
T.Takahashi Hiroshima25Ａｎｔｉ−ＤＩＤ

T.Takahashi Hiroshima26

バックグランドの許容値とIR

T.Takahashi Hiroshima27

交差角の物理への影響
BCAL

θVETO
RVTX：ビームにどれだけ近づけるか

T.Takahashi Hiroshimaminimum veto angle
角度的にどこまで近づけるか28minimum veto anglee e →τ τ →τ τ χ χ+ −+−+ −0

測定器にはかからない

0e e →e e τ τ+ −+ − + −

非常に低い角度にでる：これを捕まえられないとSUSYと見分けがつかない。

τ+ee−+e+

T.Takahashi Hiroshima

e−
θVETO

τe+e−−29

シミュレーション結果

T.Takahashi Hiroshima

Tauchi30

交差角とmin veto angle
ee−−

T.Takahashi Hiroshima+

θVETOeθVETO

e+31

交差角のまとめ• 3つの候補– 2mr• 引出線が難しい– IPからの粒子が下流のコンポーネントにあたる• クラブ交差は必要ない• DIDやAnti-DIDはいらない• min. veto角が小さくとれる– 14ｍｒ• 引き出し線の困難はすくない• クラブ交差は必要• Anti-DIDが必要（これがあれば対生成BGは2mrと同等？）• 2mrに比べmin. veto角は大きい– 20mr• 引き出し線はもっとも容易• クラブ交差は必須• DIDが必要？
• min. veto角はもっとも大きくなる。

T.Takahashi Hiroshima

32

結局MDIとは？
Extraction

Beam Delivery System (BDS)Interaction Region (IR)

システム

加速器

測定器
ミューオンBG

BDS

交差角
コリメーション
E/Pol測定
L*：最終収束磁石とIPの距離
DID,Ant-DID

veto angle
lum 測定BG：対生成、γ、中性子、ビームモニター

交差角
最終収束磁石の選択
E/Pol測定

BG: γ 中性子
ビームモニター

IRExtraction
T.Takahashi Hiroshima

シンクロトロン放射33