Colisionador lineal compacto

Los datos actuales del LHC sugieren que la partícula encontrada en 2012 es el bosón de Higgs, tal como predice el Modelo Estándar de la física de partículas. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Sin embargo, el LHC solo puede responder parcialmente a preguntas sobre la verdadera naturaleza de esta partícula, como su naturaleza compuesta/fundamental, las intensidades de acoplamiento y su posible papel en un sector electrodébil extendido. ^{[ 2 ]} CLIC podría examinar estas cuestiones con mayor profundidad midiendo los acoplamientos del Higgs con una precisión nunca antes alcanzada. ^{[ 9 ]} La  etapa de 380 GeV de CLIC permite, por ejemplo, mediciones precisas e independientes del modelo de los acoplamientos del bosón de Higgs a fermiones y bosones a través de los procesos de producción de Higgsstrahlung y fusión WW. La segunda y tercera etapas dan acceso a fenómenos como el acoplamiento top-Yukawa , las desintegraciones raras del Higgs y el autoacoplamiento del Higgs. ^{[ 9 ]}

El quark top, la más pesada de todas las partículas fundamentales conocidas, actualmente nunca se ha estudiado en colisiones electrón - positrón . ^{[ 10 ]} El colisionador lineal CLIC planea tener un extenso programa de física del quark top. Un objetivo principal de este programa sería un barrido de umbral alrededor del umbral de producción de pares del quark top (~350  GeV) para determinar con precisión la masa y otras propiedades significativas del quark top. Para este barrido, CLIC actualmente planea dedicar el 10% del tiempo de ejecución de la primera etapa, recolectando 100  fb ⁻¹ . ^{[ 1 ]} Este estudio permitiría determinar la masa del quark top de una manera teóricamente bien definida y con una precisión mayor que la posible con los colisionadores de hadrones. ^{[ 2 ]} CLIC también tendría como objetivo medir los acoplamientos electrodébiles del quark top al bosón Z y al fotón, ya que las desviaciones de estos valores con respecto a los predichos por el Modelo Estándar podrían ser evidencia de nuevos fenómenos físicos, como dimensiones extra. Una mayor observación de desintegraciones del quark top con corrientes neutras que cambian el sabor en CLIC sería una indicación indirecta de nueva física, ya que estas no deberían ser observadas por CLIC bajo las predicciones del Modelo Estándar actual . ^{[ 10 ]}

CLIC podría descubrir nuevos fenómenos físicos mediante mediciones indirectas u observación directa. Las grandes desviaciones en las mediciones de precisión de las propiedades de las partículas con respecto a la predicción del Modelo Estándar indicarían indirectamente la presencia de nueva física. Estos métodos indirectos permiten acceder a escalas de energía muy superiores a la energía de colisión disponible, alcanzando sensibilidades de hasta decenas de TeV.

Ejemplos de mediciones indirectas que CLIC sería capaz de realizar a 3  TeV son: usar la producción de pares de muones para proporcionar evidencia de un bosón Z ′ (alcance de hasta ~30  TeV) indicando una extensión de gauge simple más allá del Modelo Estándar ; usar la dispersión de bosones vectoriales para dar una idea del mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil; y explotar la combinación de varios estados finales para determinar la naturaleza elemental o compuesta del bosón de Higgs (alcance de la escala de composición de hasta ~50  TeV). ^{[ 4 ]} La producción directa de pares de partículas de hasta una masa de 1,5  TeV, y la producción de partículas individuales de hasta una masa de 3  TeV es posible en CLIC. Debido al entorno limpio de los colisionadores de electrones y positrones, CLIC podría medir las propiedades de estas nuevas partículas potenciales con una precisión muy alta. ^{[ 1 ]} Algunos ejemplos de partículas que CLIC podría observar directamente a 3  TeV son las propuestas por la teoría de la supersimetría : charginos , neutralinos (ambos ~≤ 1,5  TeV) y sleptones (≤ 1,5  TeV). ^{[ 4 ]}

Sin embargo, la investigación a partir de datos experimentales sobre la constante cosmológica , el ruido de LIGO y la sincronización de púlsares sugiere que es muy improbable que existan nuevas partículas con masas mucho mayores que las que se pueden encontrar en el modelo estándar o el LHC. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Por otro lado, esta investigación también ha indicado que la gravedad cuántica o la teoría cuántica de campos perturbativa se acoplarán fuertemente antes de 1 PeV, lo que dará lugar a otra nueva física en el rango de los TeV. ^{[ 11 ]}

Los electrones necesarios para el haz principal se producen iluminando un cátodo de tipo GaAs con un láser polarizado conmutado Q , y están polarizados longitudinalmente al nivel del 80%. ^{[ 5 ]} Los positrones para el haz principal se producen enviando un haz de electrones de 5 GeV a un blanco de tungsteno . Después de una aceleración inicial hasta 2,86 GeV, tanto los electrones como los positrones entran en anillos de amortiguación para reducir la emitancia por amortiguación de radiación . Ambos haces se aceleran luego a 9 GeV en un acelerador lineal de refuerzo común. Largas líneas de transferencia transportan los dos haces al inicio de los aceleradores lineales principales , donde se aceleran hasta 1,5 TeV antes de entrar en el Sistema de Entrega de Haz (BDS), que comprime y hace colisionar los haces. Los dos haces colisionan en el IP con un ángulo de cruce de 20 m rad en el plano horizontal. ^{[ 5 ]}     

Cada complejo de haz impulsor está compuesto por un  linac de 2,5 km de longitud, seguido de un complejo de recombinación de haz impulsor: un sistema de líneas de retardo y anillos combinadores donde los pulsos del haz entrante se intercalan para formar finalmente una secuencia de 12 GHz y una corriente  de haz local de hasta 100 A. ^{[ 5 ]} Cada linac de haz impulsor de 2,5 km de longitud es alimentado por klistrones de 1 GHz . Esto produce un haz de 148 μs de longitud (para el escenario de etapa de energía de 1,5 TeV) con una frecuencia de agrupamiento de 0,5 GHz. Cada 244 ns la fase de agrupamiento se cambia en 180 grados, es decir, los cubos impares y pares a 1 GHz se llenan alternativamente. Esta codificación de fase permite la recombinación de primer factor dos: los grupos impares se retrasan en un bucle de retardo (DL), mientras que los grupos pares lo evitan. El tiempo de vuelo del DL es de aproximadamente 244 ns y está ajustado al nivel de picosegundos de manera que los dos trenes de haces puedan fusionarse, formando varios trenes de 244 ns de longitud con una frecuencia de agrupamiento de 1 GHz, separados por 244 ns de espacio vacío. Esta nueva estructura temporal permite una recombinación adicional de factor 3 y factor 4 en los siguientes anillos combinadores con un mecanismo similar al del DL. La estructura temporal final del haz está compuesta por varios (hasta 25) trenes de haces de 244 ns de longitud a 12 GHz, espaciados por intervalos de aproximadamente 5,5 μs. La recombinación está sincronizada de manera que cada tren combinado llega a su propio sector de desaceleración, sincronizado con la llegada del haz principal. El uso de klistrones de baja frecuencia (1 GHz) y pulsos largos (148 μs) para acelerar el haz impulsor y la recombinación del haz resulta más conveniente que el uso de klistrones para acelerar directamente el haz principal. ^{[ 5 ]}                

Los principales desafíos tecnológicos del diseño del acelerador CLIC se han abordado con éxito en diversas instalaciones de prueba. La producción y recombinación del haz impulsor, y el concepto de aceleración de dos haces se demostraron en la Instalación de Prueba CLIC 3 (CTF3) . Las fuentes de RF basadas en klistrones de alta potencia en banda X se construyeron por etapas en la instalación de prueba de banda X de alto gradiente (XBOX), CERN. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Estas instalaciones proporcionan la potencia de RF y la infraestructura necesarias para el acondicionamiento y la verificación del rendimiento de las estructuras aceleradoras CLIC y otros proyectos basados ​​en banda X. Se están llevando a cabo pruebas adicionales de alto gradiente en banda X en la instalación NEXTEF en KEK y en SLAC , se está poniendo en marcha un nuevo banco de pruebas en la Universidad de Tsinghua y se están construyendo más bancos de pruebas en INFN Frascati y SINAP en Shanghái. ^{[ 18 ]}

CLICdet consta de cuatro capas principales de radio creciente: sistema de seguimiento y vértice, calorímetros , imán solenoide y detector de muones . ^{[ 19 ]}

El sistema de seguimiento y detección de vértices se ubica en la región más interna de CLICdet y tiene como objetivo detectar la posición y el momento de las partículas con un impacto mínimo en su energía y trayectoria . El detector de vértices es cilíndrico, con tres capas dobles de materiales detectores de radio creciente y tres discos segmentados en cada extremo en configuración espiral para facilitar la refrigeración por flujo de aire. Se supone que estos están hechos de píxeles de silicio de 25x25 μm² con un espesor de 50  μm, y el objetivo es lograr una resolución de punto único de 3  μm. El sistema de seguimiento está compuesto por módulos de sensores de silicio con un espesor estimado de 200 μm. ^{[ 19 ]} 

Los calorímetros rodean el vértice y el sistema de seguimiento y tienen como objetivo medir la energía de las partículas mediante absorción. El calorímetro electromagnético (ECAL) consta de aproximadamente 40 capas de silicio/tungsteno en una estructura tipo sándwich; el calorímetro hadrónico (HCAL) tiene 60 placas absorbentes de acero con material centelleador insertado entre ellas. ^{[ 19 ]}

Estas capas internas del CLICdet están encerradas en un imán solenoide superconductor con una intensidad de campo de 4 T. Este campo magnético desvía las partículas cargadas, lo que permite realizar mediciones de momento y carga . El imán está rodeado por un núcleo de hierro que contiene detectores de gran superficie para la identificación de muones. ^{[ 19 ]}

El detector también cuenta con un calorímetro de luminosidad (LumiCal) para medir los productos de los eventos de dispersión de Bhabha , un calorímetro de haz para completar la cobertura del ECAL hasta un ángulo polar de 10 mrads y un sistema de retroalimentación intra-tren para contrarrestar la pérdida de luminosidad debida a los desfases relativos entre haces. ^{[ 19 ]}

Los estrictos requisitos en el presupuesto de materiales para el sistema de vértice y seguimiento no permiten el uso de sistemas de refrigeración líquida convencionales para CLICdet. Por lo tanto, se propone que se utilice un sistema de refrigeración por gas seco para esta región interna. Se han tenido en cuenta espacios de aire en el diseño del detector para permitir el flujo del gas , que será aire o nitrógeno . ^{[ 21 ] [ 22 ]} Para permitir una refrigeración por aire eficaz, es necesario reducir el consumo de energía promedio de los sensores de silicio en el detector de vértice. Por lo tanto, estos sensores funcionarán mediante un esquema de pulsos de potencia basado en corriente: cambiando los sensores de un estado de alto a bajo consumo de energía siempre que sea posible, correspondiente a la  tasa de cruce del tren de paquetes de 50 Hz. ^{[ 23 ]}