采用激光冷却同量异位素离子束的高亮度大型强子对撞机

本文给出 Gamma Factory 倡议的案例研究之一——一项在 CERN 加速器复合体中离子束新运行方案的提案。其目标是通过以高亮度核-核碰撞计划补充质子-质子碰撞计划，拓展基于 LHC 的研究范围与精度。其众多物理亮点包括光子-光子碰撞中排他性希格斯玻色子产生研究以及电弱（EW）参数的精密测量。有两种无需升级 CERN 注入器即可提高 LHC 亮度的主要途径：（1）修改束流碰撞光学；（2）减小碰撞束流的横向发射度。前者由正在进行的高亮度（HL-LHC）项目采用。本文提出的后者仅适用于离子束，其基于在 SPS 平顶能量下对部分剥离离子束团进行激光冷却。对于满足当前束流运行约束且对 EW 物理尤其具吸引力的同量异位素钙束，横向束流发射度可在 $8$ 秒长的冷却阶段内减小 $5$ 倍。在 LHC 最高能量下冷却钙束碰撞的预测核子-核子亮度 $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ 与 HL-LHC 质子-质子碰撞的平顶亮度相当，但堆积本底更低。本文提出的方案若经未来 Gamma Factory 原理验证实验确认，可在 CERN 以微小的基础设施投资实现。