eRHIC - Accelerator and detector design studies
Bernd Surrow
布鲁克海文国家实验室正在考虑建立一个电子-质子/离子对撞机设施。将提供加速器和探测器设计概念的概述。
An electron-proton/ion collider facility (eRHIC) is under consideration at Brookhaven National Laboratory (BNL). An overview of the accelerator and detector design concepts will be provided.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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eRHIC Detector Design Studies - Implications and Constraints on the ep (A) Interaction-Region Design
布鲁克海文国家实验室正在考虑建立一个电子-质子/离子对撞机设施。这样一个新的设施将需要一个新的优化探测器的设计和建设受益于世界上第一个ep对撞机设施HERA在DESY。详细设计与交互区域的设计密切相关，因此与一般的机器开发工作密切相关。ep（A）相互作用区设计的影响和限制将被讨论。
An Alternate Ring-Ring Design for eRHIC
本文介绍了BNL基于RHIC的极化电子-离子对撞机eRHIC的一种新的环-环设计。这种替代的eRHIC设计利用高重复率碰撞束，并且可能能够提供性能以满足科学计划的要求，同时具有低技术风险和适度的加速器研发。预期的性能包括多个碰撞点的高亮度和宽CM能量范围，每个探测器的最大值高达2x10^34 cm-2s-1，碰撞电子和轻离子束的极化率高于70%。这种新的设计要求重新使用美国退役的设施，即PEP-II高能环和SLAC暖直线加速器的一部分作为全能量电子注入器。
High-energy high-luminosity electron-ion collider eRHIC
在本文中，我们描述了一个未来的电子-离子对撞机（EIC），现有的相对论重离子对撞机（RHIC）强子设施的基础上，有两个相交的超导环，每个3.8公里的周长。一个新的ERL加速器提供5-30 GeV的电子束，将确保10^33 - 10^34 cm^-2 s^-1的亮度。
CBETA Design Report, Cornell-BNL ERL Test Accelerator
本报告介绍全球首台多程超导射频能量回收直线加速器CBETA的建造计划，依托康奈尔与BNL的合作，整合双方技术建造4周转单低温模组ERL，可将40mA束流加速至150MeV，应用前景广泛。
eRHIC Design Study: An Electron-Ion Collider at BNL
本研究提出依托现有RHIC设施建造电子-离子对撞机eRHIC的方案，采用创新加速器技术实现极化电子与强子束对撞，满足QCD前沿研究的关键测量需求。
Nb3Sn superconducting radiofrequency (SRF) cavities have substantial potential for enabling new performance capabilities for particle accelerators for high energy physics (HEP), as well as for RF cavity-based detectors for dark matter, gravitational waves, and other quantum sensing applications. Outside of HEP, Nb3Sn SRF cavities can also benefit accelerators for nuclear physics, basic energy sciences, and the industry. In this contribution to Snowmass 2021, we overview the potential, status, and outlook of Nb3Sn SRF cavities.
The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator: White Paper
本白皮书介绍康奈尔大学与BNL合作的Cβ项目，即首台基于NS-FFAG结构的ERL测试加速器，验证相关概念以支撑eRHIC建设，复用现有组件仅新建FFAG磁结构，可提供高性价比紧凑高亮度电子束，推动多领域科研与应用发展。
In physics research particle accelerators are highly valued, and extraordinarily expensive, technical instruments. The high cost of particle accelerators results from the immense lengths required to accelerate particles to high energies, using radio frequency cavities. A current promising field of research, laser-driven particle acceleration has the potential to reduce the size, cost, and energy consumption of particle accelerators by orders of magnitude. To understand and control particle acceleration in plasmas using ultra-small spatial configurations, researchers have been developing comput…
The research is aimed to address issues of analysis and mitigation of high repetition rate effects in Dielectric Wakefield Accelerators, and more specifically, to study charging rate and charge distribution in a thin walled dielectric wakefield accelerator from a passing charge bunch and the physics of conductivity and discharge phenomena in dielectric materials useful for such accelerator applications. The issue is the role played by the beam halo and intense wakefields in charging of the dielectric, possibly leading to undesired deflection of charge bunches and degradation of the dielectric …
Beam Loss Monitoring with Fixed and Translating Scintillation Detectors Along the Fermilab Drift-tube Linac
针对费米实验室漂移管直线加速器沿线缺乏测量仪器的问题，提出利用固定式和平移式闪烁探测器研究其前两个腔体沿线的束流损失，以提供关键组件调试所需的诊断信息。
The CEPC Clock Issue and Finetuning of the Circumference
本文研究了CEPC的时钟协调问题，确定束团间距为23.08 ns的整数倍、主时钟频率为43.33 MHz，并提出将周长微调至99955.418 m以优化探测器运行。
Layout considerations for a future electron plasma research accelerator facility EuPRAXIA
地平线2020项目EuPRAXIA（欧洲等离子体研究加速器，应用卓越）正在准备一个高度紧凑和具有成本效益的欧洲设施的概念设计，该设施使用等离子体作为加速介质，具有多GeV电子束。该设计包括两个用户区域：一个用于自由电子激光科学，另一个用于高能物理（HEP）探测器开发和其他试点应用。加速器设施将基于激光和/或束驱动等离子体加速方法。这一贡献介绍了未来的等离子体加速器设施的布局考虑的背景下EuPRAXIA。它比较了传统的和新型的等离子体加速器设施的要求，并提出了潜在的布局，为未来的网站。结合性能分析、成本效益和单个配置的目标用户案例，此类布局研究将在以后对潜在配置进行排名。根据这些信息，将为EuPRAXIA设施的2019年概念设计报告定义最佳技术组合。
The International Linear Collider Technical Design Report - Volume 3.II: Accelerator Baseline Design
《国际直线对撞机技术设计报告》分四卷描述了一个500 GeV质量中心能量直线电子-正电子对撞机的物理情况和设计，该对撞机采用超导射频技术，使用铌腔作为加速结构。加速器可以扩展到1 TeV，也可以作为希格斯工厂在250 GeV左右和Z 0极上运行。给出了加速器的综合价值估计，以及相关的不确定性。结果表明，没有重大的技术问题有待解决。一旦选定地点并进行必要的现场工程，即可立即开始施工。TDR还提供了两个高性能探测器的基线文档，这两个探测器可以通过在“推拉”配置中移入和移出光束线来共享ILC亮度。这些探测器，ILD和SiD，详细描述。它们构成了一个世界级实验计划的基础，该计划有望大大增加我们对宇宙演化基本过程的理解。
The International Linear Collider Technical Design Report - Volume 3.I: Accelerator R&D in the Technical Design Phase
《国际直线对撞机技术设计报告》分四卷描述了一个500 GeV质量中心能量直线电子-正电子对撞机的物理情况和设计，该对撞机采用超导射频技术，使用铌腔作为加速结构。加速器可以扩展到1 TeV，也可以作为希格斯工厂在250 GeV左右和Z 0极上运行。给出了加速器的综合价值估计，以及相关的不确定性。结果表明，没有重大的技术问题有待解决。一旦选定地点并进行必要的现场工程，即可立即开始施工。TDR还提供了两个高性能探测器的基线文档，这两个探测器可以通过在“推拉”配置中移入和移出光束线来共享ILC亮度。这些探测器，ILD和SiD，详细描述。它们构成了一个世界级实验计划的基础，该计划有望大大增加我们对宇宙演化基本过程的理解。
The Compact Linear e$^+$e$^-$ Collider (CLIC): Accelerator and Detector
紧凑型直线对撞机（CLIC）是一个TeV级的高亮度直线e $^+$ e $^-$对撞机，由欧洲核子研究中心主持的国际合作正在开发中。本文档概述了CLIC加速器和探测器的设计、技术和实现方面。为了最佳地利用其物理潜力，CLIC预计将分阶段建造和运行，质心能量为380 GeV、1.5 TeV和3 TeV，场地长度为11公里至50公里。CLIC采用双束加速方案，其中正常传导的高梯度12 GHz加速结构通过高电流驱动束供电。对于第一级，还考虑了X波段速调管供电的替代方案。CLIC加速器优化、技术开发和系统测试在近年来取得了重大进展。此外，这还提高了380 GeV级的能源效率，降低了约170 MW的功耗，同时降低了约60亿瑞士法郎的成本估计。探测器的概念，它匹配的物理性能要求和CLIC的实验条件，已被完善，使用改进的软件工具进行模拟和重建。在跟踪和量热系统的探测器技术开发方面取得了重大进展。CLIC的第一个能源阶段最早可于2026年开始建造，第一束光束将于2035年提供，这标志着一个跨越25-30年的物理方案的开始，并通过直接搜索和通过对标准模型过程的广泛精确测量，特别是在希格斯和顶夸克部分，提供对超标准模型物理学的出色灵敏度。
Nuclear Waste Transmutation in Subcritical Reactors Driven by Target-Distributed Accelerators
介绍了一种广泛借鉴现有核电技术的放射性废物嬗变系统。在高通量次临界反应堆中，用中子源代替控制棒，可以维持良好的功率分布，实现长寿命的废物燃烧。该设计基于一个小型压水反应堆、裂变电池、分布式靶加速器和带有堆芯伽马射线探测器的电力监测系统，目前有几个国家正在开发这些系统。在TDA中，FEC电场补偿了靶中损失的束流能量，提供了一种获得大中子通量的新方法。该分析考虑了广泛的TDA设计方面，包括观察到的相对论现象的波模型，在核心微波功率源，FEC与多级收集器（阳极）和分层阴极。
Hadron Fluence Measurements with LiF-TLD Sensors at the Proton Synchrotron Accelerator at CERN
鉴于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）的光束监测传感器的实施，也为了验证热释光探测器作为一种多功能的工具，以测量电离辐射剂量在混合领域的强子对撞机，如LHC，化学气相沉积金刚石传感器已在欧洲核子研究中心的质子同步加速器进行了评估和校准。特别注意了解氟化锂热释光探测器是否适合作为这些辐射领域的测量设备。
Large Superconducting Magnet Systems
在过去的几十年里，加速器中能量的增加导致了用于加速器和相关探测器的超导磁体的设计。Nb-Ti超导材料的使用允许偶极场与常规磁体中的2 T的最大场相比增加高达10 T。也可以增加检测器中的粒子的场弯曲和由磁体产生的场弯曲。新材料，如Nb 3Sn和高温超导体（HTS）导体，可以为13-20 T范围内的更高磁场开辟道路。最新一代产生热等离子体的聚变机器也使用大型超导磁体系统。
Here we calculate the effects of astrophysical gravitational waves (GWs) on the travel times of proton bunch test masses in circular particle accelerators. We show that a high-precision proton bunch time-tagging detector could turn a circular particle accelerator facility into a GW observatory sensitive to millihertz (mHz) GWs. We comment on sources of noise and the technological feasibility of ultrafast single photon detectors by conducting a case study of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN.
Fermilab Collider Run II: Accelerator Status and Upgrades
费米实验室将继续保持其在高能物理领域的卓越地位，并有独特的机会对顶夸克和重大发现进行前所未有的研究，直到欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）在本世纪末投入运行。运行II正在顺利进行，自运行I以来，主要的加速器和探测器升级。到2009年，加速器综合体的进一步升级计划将使每次实验的积分亮度达到4-8 fb-1。
Study of the energy spectrum of alpha particles in an experiment on irradiation of a boron target with a proton beam at the Prometheus accelerator
本研究利用Prometheus质子治疗综合体的同步加速器注入器束流，结合CR-39径迹探测器测量p+$^{11}$B→3α反应的α粒子能谱，明确了能区范围及靶深电离损失的影响，为硼-质子俘获治疗研究提供支撑。
CEPC Conceptual Design Report: Volume 1 - Accelerator
环形正负电子对撞机（CEPC）是由中国发起并主持的大型国际科学工程。它位于一个周长100公里的地下隧道中。加速器复合体由一个直线加速器（Linac）、一个阻尼环（DR）、助推器、对撞机和几条传输线组成。在隧道中，为未来的pp对撞机SPPC预留了空间。CEPC的质心能量是240 GeV，在这个碰撞能量下，它将成为希格斯工厂。该设计还允许Z工厂在91 GeV下运行，W工厂在160 GeV下运行。CEPC的核心是一个双环对撞机。它有两个相互作用点，位于大型探测器。助推器在对撞机上方的同一个隧道里它是一个同步加速器，注入能量为10 GeV，引出能量等于光束碰撞能量。重复周期为10秒。将使用顶注来保持恒定的光度。10 GeV的直线加速器，助推器的注入器，建在地面，加速电子和正电子。一个1.1 GeV的阻尼环降低了正电子发射率。由永磁体制成的传输线将直线加速器连接到助推器。除了粒子物理学，对撞机可以同时作为一个强大的同步辐射（SR）光源。它将把可用的SR光谱扩展到前所未有的能量和亮度范围。设计中包括两条伽马射线束线。在建设之前，将有一个为期五年的研发期（2018-2022年）。建设预计将于2022年开始，2030年完成。这份报告是国内外数百名科学家和工程师在过去几年中所做工作的总结。当前卷，卷I，在加速器上。一个单独的卷，第二卷，将在物理和探测器。
Dark Matter Detector Radioimpurities $^{129}$I and $^{210}$Pb Measured with Accelerator Mass Spectrometry
本研究利用加速器质谱法测量暗物质探测器NaI(Tl)晶体中主要放射性杂质$^{129}$I和$^{210}$Pb的丰度，验证了靶材与铅载体的适用性，为低本底暗物质实验的材料纯度控制提供支撑。
Accelerator Measurements of the Askaryan effect in Rock Salt: A Roadmap Toward Teraton Underground Neutrino Detectors
我们报告进一步SLAC测量的Askaryan效应：相干无线电发射的电荷不对称的电磁级联。我们使用合成岩盐作为介电介质，并在最终聚焦测试束处由GeV韧致辐射光子产生级联。我们将先前的发现测量扩展到更宽的参数空间范围，并探索对大规模超高能中微子探测器具有巨大潜在兴趣的电介质中的效应：岩盐（岩盐），它天然存在于高纯度地层中，在许多情况下含有数百立方公里的水当量质量。我们观察到强相干脉冲无线电发射的频率从0.2-15 GHz。通过埋设双极化天线的网格来确定线极化的高度，并跟踪簇射周围电场矢量方向随方位角的变化。在4个数量级的簇射能量的相干性。在UHF和微波频率的两个数量级上测试辐射的频率依赖性。我们还首次观测到了来自Askaryan电荷过剩的相干跃迁辐射，其结果与理论预言符合得很好。基于这些结果，我们进行了详细的和保守的模拟一个现实的GZK中微子望远镜阵列内的盐丘，我们发现它能够检测10个或更多的事件，每年从最保守的GZK中微子模型。
The Compact Linear Collider (CLIC) is a multi-TeV high-luminosity linear e$^+$e$^-$-collider under development by the CLIC accelerator collaboration, hosted by CERN. The CLIC accelerator has been optimised for three energy stages at centre-of-mass energies 380 GeV, 1.5 TeV and 3 TeV. CLIC uses a novel two-beam acceleration technique, with normal-conducting accelerating structures operating in the range of 70-100 MV/m. The report describes recent achievements in accelerator design, technology development and prototyping, system tests and beam tests. Large-scale CLIC-specific beam tests have tak…
The design and performance of the ESS Neutrino Super Beam project ESSνSB
欧洲SpectroSource线性质子加速器将具有独特的5兆瓦高功率。本文介绍了利用大型水切伦科夫探测器产生强中微子超束ESSνSB测量轻子CP破坏所需的加速器的改进和增加。ESSnuSB与另外两个超级束实验Hyper-K和DUNE是互补的，因为由此产生的高中微子束强度允许将中微子探测器置于第二振荡最大值。在假设所有三个实验中的系统误差相同的情况下，将ESSνSB实验的模拟性能与其他两个实验进行比较。ESSνSB的性能CP破坏精度测量被发现是非常有竞争力的。
Proton beams with up to 100 pC bunch charge, 0.48 MeV cut-off energy and divergence as low as a $3^{\circ}$ were generated from solid targets at kHz repetition rate by a few-mJ femtosecond laser under controlled plasma conditions. The beam spatial profile was measured using a small aperture scanning time-of-flight detector. Detailed parametric studies were performed by varying the surface plasma scale length from 8 to 80 nm and the laser pulse duration from 4 fs to 1.5 ps. Numerical simulations are in good agreement with observations and, together with an in-depth theoretical analysis of the a…
Commissioning and first measurements of the initial X-ray and γ-ray detectors at FACET-II
本文介绍FACET-II初始阶段X射线与γ射线探测器的配置，并结合首次调试和用户运行测量验证其诊断原理与应用潜力。
Simulation study of accelerator-based muography using the GeV-scale forward muon component at SHINE
本研究通过Geant4模拟验证了利用SHINE设施3 GeV电子束产生的GeV级前向缪子进行定量缪子成像的可行性，在约6小时内累积3×10^5有效缪子事件即可实现高于0.9的结构相似性指数，且强度远超宇宙射线源。
Neutrino oscillation physics has entered a new precision era, which poses major challenges to the level of control and diagnostics of the neutrino beams. In this paper, we review the design of high-precision beams, their current limitations, and the latest techniques envisaged to overcome such limits. We put emphasis on "monitored neutrino beams" and advanced diagnostics to determine the flux and flavor of the neutrinos produced at the source at the per-cent level. We also discuss ab-initio measurements of the neutrino energy -- i.e. measurements performed without relying on the event reconstr…
European Strategy for Accelerator-Based Neutrino Physics
大质量中微子揭示了超越标准模型的物理学，这可能对我们理解宇宙产生深远的影响。因此，他们的研究应在欧洲战略中得到最高优先地位。轻子CP破坏的发现和研究以及中微子味之间跃迁的精确研究需要高强度、高精度、长基线的加速器中微子实验。参与振荡实验的欧洲中微子物理学家社区足够强大，可以支持欧洲的一个主要中微子长基线项目，并提出雄心勃勃，具有竞争力和连贯性的愿景。根据2006年欧洲粒子物理学战略的建议，进行了两项互补的设计研究：LAGUNA/LBNO，侧重于深层地下探测器站点，和EUROnu，侧重于高强度中微子设施。LAGUNA LBNO建议，作为第一步，从CERN SPS北区中微子设施（NANF）发射一束常规中微子束CN2 PY，瞄准芬兰的Pyhasalmi矿。一个也可以位于欧洲核子研究中心北部地区的无菌中微子搜索实验已经提出（ICARUS-NESSIE），使用两个探测器的设置，允许一个明确的答案20岁的问题开放的LSND实验。EUROnu得出结论，一个10 GeV的中微子工厂，目标是一个磁化中微子探测器，也位于约2200公里（+-30%）的基线，将构成最终的中微子设施;它建议，在未来5年内专门用于研发，准备性实验和实施研究，考虑到下一次ESPP更新之前的建议。该计划的一致性和质量要求在CNGS之后继续在CERN进行中微子束，并要求CERN和成员国对实验和研发计划给予高度优先的支持。
A First Mass Production of Gas Electron Multipliers
我们报告了使用3M的全自动卷对卷柔性电路生产线制造第一批约2，000个气体电子倍增器（GEM）的情况。该工艺允许低成本、可再现地制造尺寸高达30 $\times$ 30 cm $^{2}$的大量宝石。第一次测试表明，所得到的GEM具有作为辐射探测器的最佳性能。介绍了GEM的生产工艺和性能的初步测试。这一现已证明的工业能力应有助于进一步确立微图案气体探测器在基于加速器和非加速器的粒子物理学、成像和光电探测中的突出地位。
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