This paper presents one of the case studies of the Gamma Factory initiative -- a proposal of a new operation scheme of ion beams in the CERN accelerator complex. Its goal is to extend the scope and precision of the LHC-based research by complementing the proton-proton collision programme with the high-luminosity nucleus-nucleus one. Its numerous physics highlights include studies of the exclusive Higgs-boson production in photon-photon collisions and precision measurements of the electroweak (EW) parameters. There are two principal ways to increase the LHC luminosity which do not require an upgrade of the CERN injectors: (1) modification of the beam-collision optics and (2) reduction of the transverse emittance of the colliding beams. The former scheme is employed by the ongoing high-luminosity (HL-LHC) project. The latter one, applicable only to ion beams, is proposed in this paper. It is based on laser cooling of bunches of partially stripped ions at the SPS flat-top energy. For isoscalar calcium beams, which fulfil the present beam-operation constrains and which are particularly attractive for the EW physics, the transverse beam emittance can be reduced by a factor of $5$ within the $8$ seconds long cooling phase. The predicted nucleon-nucleon luminosity of $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ for collisions of the cooled calcium beams at the LHC top energy is comparable to the levelled luminosity for the HL-LHC proton-proton collisions, but with reduced pile-up background. The scheme proposed in this paper, if confirmed by the future Gamma Factory proof-of-principle experiment, could be implemented at CERN with minor infrastructure investments.

中文翻译：

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具有激光冷却等标量离子束的高亮度大型强子对撞机

本文介绍了伽玛工厂计划的一个案例研究——在欧洲核子研究中心加速器综合体中提出一种新的离子束运行方案。其目标是通过用高亮度核-核方案补充质子-质子碰撞程序来扩展基于 LHC 的研究的范围和精度。其众多物理学亮点包括研究光子-光子碰撞中独有的希格斯玻色子产生和电弱 (EW) 参数的精确测量。增加 LHC 亮度的主要方法有两种，不需要升级 CERN 注入器：(1) 修改光束碰撞光学器件和 (2) 降低碰撞光束的横向发射率。前一种方案用于正在进行的高亮度（HL-LHC）项目。后者，仅适用于离子束，在本文中提出。它基于在 SPS 平顶能量下对部分剥离离子束进行激光冷却。对于满足当前光束操作约束并且对电子战物理学特别有吸引力的等标钙光束，在 8 美元秒长的冷却阶段内，横向光束发射率可以降低 5 美元。预测的核子-核子光度 $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ 在大型强子对撞机冷却钙束的碰撞最高能量与 HL-LHC 质子 - 质子碰撞的水平光度相当，但堆积背景减少。本文提出的方案，如果得到未来伽玛工厂原理验证实验的证实，可以在欧洲核子研究中心实施，只需少量基础设施投资。本文提出。它基于在 SPS 平顶能量下对部分剥离离子束进行激光冷却。对于满足当前光束操作约束并且对电子战物理学特别有吸引力的等标钙光束，在 8 美元秒长的冷却阶段内，横向光束发射率可以降低 5 美元。预测的核子-核子光度 $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ 在大型强子对撞机冷却钙束的碰撞最高能量与 HL-LHC 质子 - 质子碰撞的水平光度相当，但堆积背景减少。本文提出的方案，如果得到未来伽玛工厂原理验证实验的证实，可以在欧洲核子研究中心实施，只需少量基础设施投资。本文提出。它基于在 SPS 平顶能量下对部分剥离离子束进行激光冷却。对于满足当前光束操作约束并且对电子战物理学特别有吸引力的等标钙光束，在 8 美元秒长的冷却阶段内，横向光束发射率可以降低 5 美元。预测的核子-核子光度 $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ 在大型强子对撞机冷却钙束的碰撞最高能量与 HL-LHC 质子 - 质子碰撞的水平光度相当，但堆积背景减少。本文提出的方案，如果得到未来伽玛工厂原理验证实验的证实，可以在欧洲核子研究中心实施，只需少量基础设施投资。它基于在 SPS 平顶能量下对部分剥离离子束进行激光冷却。对于满足当前光束操作约束并且对电子战物理学特别有吸引力的等标钙光束，在 8 美元秒长的冷却阶段内，横向光束发射率可以降低 5 美元。预测的核子-核子光度 $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ 在大型强子对撞机冷却钙束的碰撞最高能量与 HL-LHC 质子 - 质子碰撞的水平光度相当，但堆积背景减少。本文提出的方案，如果得到未来伽玛工厂原理验证实验的证实，可以在欧洲核子研究中心实施，只需少量基础设施投资。它基于在 SPS 平顶能量下对部分剥离离子束进行激光冷却。对于满足当前光束操作约束并且对电子战物理学特别有吸引力的等标钙光束，在 8 美元秒长的冷却阶段内，横向光束发射率可以降低 5 美元。预测的核子-核子光度 $L_{NN}= 4.2 \times 10^{34}\,$s$^{-1}$cm$^{-2}$ 在大型强子对撞机冷却钙束的碰撞最高能量与 HL-LHC 质子 - 质子碰撞的水平光度相当，但堆积背景减少。本文提出的方案，如果得到未来伽玛工厂原理验证实验的证实，可以在欧洲核子研究中心实施，只需少量基础设施投资。