LHC upgrade　計画概要 ＫＥＫ　　徳宿克夫　 （日本物理学会秋の分科会　20１０年９月１２日）

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1 LHC upgrade　計画概要 ＫＥＫ　　徳宿克夫　 （日本物理学会秋の分科会　20１０年９月１２日）

2 LHC：本格的な実験のはじまり 2010年3月： 3.5+3.5TeVでの初衝突 2010年7月： Z断面積測定
Top生成事象候補 日本: 主にアトラス実験への参加（ KEK ＋日本の 14大学)と 衝突点に近接した収束磁石の開発と製作(KEKと Fermilab)　で大きく貢献 2/9

3 The 10 year technical Plan
１３～１４ＴｅＶ　　～100ｆｂ－1 ７ＴｅＶ　　１ｆｂ－1 Ｌ～１ｘ１０３４　ｃｍ－２ｓ－１ 設計値を達成 １４ＴｅＶ　　～300ｆｂ－1 ＨＬ－ＬＨＣ Ｌ～２ｘ１０３４　ｃｍ－２ｓ－１ 24th August 2010 SPC Aug 2010

4 LHCの長期計画の始まり 4 2020年 LHC高輝度化改造 2030年 LHC高エネルギー化改造？？
High-luminosity LHC (HL-LHC) High-energy LHC (HE-LHC) 4

5 なぜupgradeか? 加速器コンポーポーネントや、各実験の検出器の一部はIntL~数100fb-1収集ぐらいで、放射線損傷による劣化が出てくる。 　初期のＬＨＣで何が出てくるかにもよるが、数100fb-1収集後にＬＨＣをやめる理由はない。 10年過ぎたあとで、「Data-doubling time」の改善 10年運転後アップグレード、2030年までに3000fb－1のデータを貯める。 HL-LHC の目標 5

6 HL-Luminosity で何ができるか? 3000ｆｂ－1の物理
初期のＬＨＣの結果によって大きく変わる。（→兼村氏のトーク） High statistics → High precision, rare events ? 多数の衝突が重なった状態での作業　 際立った特徴の崩壊過程なら可能 　　　　（H→μμ,　H→Zγ, WW→ＷＷ 等） 5 Collisions (0.2 x 1034 cm-2 s-1) 400 Collisions (1035 cm-2 s-1) 6

7 H→ μμ Higgs 発見後のHiggs 精密測定： Br ～ 10－4 初期ＬＨＣでは厳しい→ 600fb-1 → 3.5σ
　　　LC (黒ポイント）の精度にはかなわないが、１０～２０％の精度で探索可能 For M h = 120 GeV = 140 GeV μ

8 High statistics → High Energy
高輝度化により、実質的に、高いエネルギーのクォークやグルーオンを増やせる：　 　→より高いエネルギーで探索が可能になる。 ヒッグス粒子 g 陽子 ７TeV SUSY探索範囲： 　　　　　 2.5TeV -> 3 TeV 8

9 3000/fbの物理 Higgsの性質の精密測定（Higgsの質量によってこの物理の重要度が大きく変わる。ILCとの損得）
LHCまでで新現象が何も出なかったときの、さらに高いエネルギーでの探索（直接測定は、（ＨL－）LHCが唯一の手段） LHCで新現象（SUSYなど）が発見された場合の精密測定（ILC,SuperKEKBなどとの損得）と、さらに高いエネルギー領域での探索

10 LHC アップグレード　プロジェクトの推移 2008年4月：SLHC-PP　（The Preparatory Phase of the LHC upgrade）の設立　　 　　　（ 3年間、CERN, EU,　メンバー国の大学、研究所） ４月９日にKick Offミーティング Stage-1として、 年にInjectorの最初段の新設（LINAC4）とATLAS,CMSの衝突点にNb-Tiの新しいTripletの新設を目指す。 Stage-2（ )にさらなるInjectorのUpgradeを進める。 LHCのstart up の遅れ、’consolidation’に多くの資源が必要になった。 計画の見直し：　Linac4 は予定通り建設するが、ほかの計画は見直し。 sLHCが何を指すのか人によって違うので混乱をさけるために、 HL-LHC という呼び名に変更 国際的な設計チームの組織が始まった。2014年ぐらいまでに具体的な計画を作成　（←　今貢献することが重要）

11 CERN Physics Department news より
Before defining the possible scenario, it is a good idea to introduce a few keywords that are used to define the various steps for the LHC. • The nominal LHC corresponds to the design energy (~ 14 TeV) and peak luminosity of 1034 cm-2 s-1. It should allow the experiments to record an integrated luminosity of about 50 fb-1 per year. • The ultimate LHC corresponds to a peak luminosity of ~ cm-2 s-1 and should yield about 100 fb-1 per year. • The High-Luminosity LHC (HL-LHC) would offer a leveled luminosity of ~ cm-2 s-1 yielding about 300 fb-1 per year.

12 LHCでの陽子・陽子衝突 加速器のビームパイプ （真空） 1000億個ぐらいの 陽子がかたまりに なって加速器の中を 回る （バンチ）
回る　（バンチ） かたまりの大きさ16μｍ （髪の毛より細い） 一回の交差で約20個の 陽子と陽子がぶつかる バンチは一秒間に 4千万回交差 バンチは加速器の中を何周もしながら徐々に数が減っていく、 一日に数回入替えをする。

13 いかにしてHigh-Luminosityを達成するか
kB: バンチの数 ｆ； 秒間に周回する回数 εn ; normalized emittance 　　　　　　　　　　　ビームのクオリティ β＊：　衝突点でのβ関数　　 qc F:衝突角度（qc）の影響

14 LHC phase-2 upgrade paths for IP1 & 5
early separation (ES) J.-P. Koutchouk full crab crossing (FCC) L. Evans, W. Scandale, F. Zimmermann stronger triplet magnets D0 dipole small-angle crab cavity stronger triplet magnets small-angle crab cavity ultimate beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing), b* ~10 cm early-separation dipoles in side detectors , crab cavities → hardware inside ATLAS & CMS detectors, first hadron crab cavities; off-d b ultimate LHC beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing) b* ~10 cm crab cavities with 60% higher voltage → first hadron crab cavities, off-d b-beat large Piwinski angle (LPA) low emittance (LE) R. Garoby wire compensator larger-aperture triplet magnets stronger triplet magnets F. Ruggiero, W. Scandale. F. Zimmermann いろいろなＯｐｔｉｏｎが検討されてきたが、振り出しに 戻っている。 50 ns spacing, longer & more intense bunches (5x1011 p’s/bunch) b*~25 cm, no elements inside detectors long-range beam-beam wire compensation → novel operating regime for hadron colliders, beam generation ultimate LHC beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing) b* ~10 cm smaller transverse emittance → constraint on new injectors, off-d b-beat

15 設計にあたっての考察 average luminosity
sLHC　のルミノシティターゲットとしては長らく1035cm-2s-1であったが最近見直した。 要点は： 物理成果には、ピークでなく積分ルミノシティが重要。 ルミノシティが高いほど、Event overlapが激しくなる　 　　　　　→　測定器開発・解析の難易度が上がる ルミノシティが上がると、ビームの寿命が低くなる。（LHC:20ｈ　→　2ｈ） 　　　　　→積分ルミノシティを考えると、beamのinjection time のロスも大きい average luminosity 現在の目標：　ルミノシティ　５ｘ１０３4ｃｍ－２ｓ－１　with ‘luminosity leveling’

16 ES, low b*, with leveling LPA, long bunches, events/crossing 300
L.Rossi examples ES, low b*, with leveling LPA, long bunches, events/crossing 300 run time N/A 2.5 h av. luminosity 2.6x1034s-1cm-2 150 14.8 h 2.9x1034s-1cm-2 75 9.9 h 26.4 h 1.7x1034s-1cm-2 L～10×1034 L～5×1034 L～2.5×1034 assuming 5 h turn-around time

17 LHC upgradeのための技術開発 High Gradient/Large Aperture の四重極磁石の開発(Bpeak T)が必要： 今のＬＨＣの線材（NbTi）では無理 米国ＬＡＲＰ　（LHC Accelerator Research Program ）でNb3Snの開発が進む KEK-CERNでNb3Alの開発 　　　　Technology Choice ~2014頃 現行のLHC inner triplet Nb3Sn is becoming a reality (first LQ long -3.6 m – quad 90 mm) This year we expect a second test of LQ-1 and test of LQ-2 　　　　　　　　　　　　　　　　　L.Rossi

18 クラブ空洞 18 衝突点付近でバンチの向きを変えることで輝度を上げる。 ＫＥＫ-Ｂが唯一の実用例
クラブ空洞　 衝突点付近でバンチの向きを変えることで輝度を上げる。 ＫＥＫ-Ｂが唯一の実用例 Crab Cavities: this is the best candidate for exploiting small  (for  around nominal only +15%). However it should be underlined that today Crab Cavities are not validated for LHC , not even conceptually: the issue of machine protection should be addressed with priority. JLAB CI/DL KEK BNL SLAC SPSでの予備実験を検討。KEK-Bの クラブ空洞を使う可能性も検討 世界中の研究所で設計競争がはじまっている。 18

19 いかにしてHigh-Luminosityを達成するか
②クラブ交差 Lumi: x1.5 日本の得意分野 ①さらに強い収束磁石 β＊ = 0.55m -> 0.23m Lumi: x ( 正面衝突ならx 2.5） ③よりたくさんのビーム を入射：　Injector upgrade 　　　N: 1.15x1011 →　 x1011　　 Lumi: x2-3 ④コリメータのアップグレード

20 Layout of the new injectors
SPS PS2 SPL PS 建設着工 sLHC として考えられていた新設Injector群 　Linac4は建設開始 　将来大強度プロトンドライバーとして使うことも視野 Linac4

21 SPL/PS2　計画の見直し 要因： LHC開始の遅れと、14TeV運転へ向けてさらに時間とお金がかかるため、これらの加速器は2020年より前に作れる可能性はほぼゼロ． 現在のインジェクターであるPSは1959年生まれ。何も手を打たずに2020年以降まで稼働できるとは考えづらい。 　既存の加速器の改良維持はなんにせよしなくてはいけない。 2010年1月のシャモニーでのワークショップで議論。 　PS-boosterのエネルギーを2GeVにあげればHL-LHCの要求を満たすことができることが判明

22 Present accelerator complex
1976 1972 LHC beam route LINAC2 BOOSTER (PSB) PS SPS 1959 1/2/2019

23 Intensity Limits Present SPL-PS2 2GeV in PS Linac2/LINAC4 4.0
S. Myers Intensity Limitations (1011 protons per bunch) Present SPL-PS2 2GeV in PS Linac2/LINAC4 4.0 PSB or SPL 3.6 PS or PS2 1.7 3.0 SPS 1.2 >1.7? LHC ? Reminder design = (for 1034); Ultimate = (for 2.3x1034) PS-boosterのアップグレードで十分な陽子数を確保できる。 一番のリミットはSPSにある。ここの改造の方がむしろ重要。 2つのoptionはWGを作って議論中なので、まだどっちになるかはオープン。しかし現在の財政状況等も考えるとブースターオプションになるのがほぼ確実。 ただしSPLのR&Dは、将来の加速器計画も見越して続けることになると思われる。 28 June 2010

24 HE-LHC “First Thoughts on a Higher-Energy LHC”
Ralph Assmann, Roger Bailey, Oliver Brüning, Octavio Dominguez Sanchez, Gijs de Rijk, Miguel Jimenez, Steve Myers, Lucio Rossi, Laurent Tavian, Ezio Todesco, Frank Zimmermann Abstract: We report preliminary considerations for a higher-energy LHC (“HE-LHC”) with about 16.5 TeV beam energy and 20-T dipole magnets. In particular we sketch the proposed principal parameters, luminosity optimization schemes, the new HE-LHC injector, the magnets required, cryogenics system, collimation issues, and requirements from the vacuum system. Table of Contents: Parameters Luminosity optimization Injector Magnets Cryogenics studies Vacuum system Collimation issues EuCARD-AccNet mini-workshop on a higher-energy LHC “HE-LHC’10” –14-16 October ’10, Malta 1/2/2019

25 with the iron yoke – Coils are in blue
HE-LHC 高磁場磁石の開発を今進めることは将来を HL-LHCのための高磁場磁石の開発⇒　偏向磁石に使えば、LHCのエネルギーをあげることもできる。 　　　　　　　Higher Energy LHC (HE-LHC) 2030年以降の将来計画として、今年からＣＥＲＮのofficial statement としてでてきている。 HE-LHC Workshop October in Malta Nb3Sn + HTS magnets Sketch of the double aperture magnet with the iron yoke – Coils are in blue transmission line magnets of new injector Field in the coil (one pole shown) at 20 T operational field

26 HE-LHC Provisional parameter list for LHC energy upgrade 33 TeV centre-of-mass energy 1/2/2019

27 HE-LHC →2035年 実験開始???? Main issues Provisional dates
L. Rossi: Fermilab でのトーク （2010年7月29日） Main issues high-field 20-T dipole magnets based on Nb3Sn, Nb3Al, and HTS high-gradient quadrupole magnets for arc and IR fast cycling SC magnets for 1-TeV injector emittance control in regime of strong SR damping and IBS cryogenic handling of SR heat load (this looks manageable) dynamic vacuum Provisional dates 2022 start of 20-T magnet procurement building/preparing new 1.3-TeV injector installation of HE-LHC ring in LHC tunnel →2035年　実験開始???? 1/2/2019

28 まとめ LHCのアップグレード(High luminosity LHC; HL-LHC)はＬＨＣの性能を最大に引き出すプロジェクト
ルミノシティーを5ｘ1034ｃｍ－2ｓ－1に長い期間保つ運転を行う（Luminosity leveling) ゴールは2030年までに　実験あたり3000ｆｂ－1の積分ルミノシティーを得ること。 High Luminosity -> High Energy reach (SUSY 2.5TeV→3TeV) HL-LHCはＬＨＣ本体とＩｎｊｅｃｔｏｒの両方のプロジェクト LHCに関しては、衝突点近傍のコンポーネント（収束磁石、クラブ空洞）の入れ替え 入射器のアップグレードはLinac4と、ＰＳＢのエネルギー増加 　HL-LHCのデザインは今年になって大幅に見直しされた。2014年頃までに、デザインを決める。 高磁場磁石、クラブ空洞と、日本の得意な分野が含まれるプロジェクト。 設計段階の寄与は非常に有意義。設計、Ｒ＆Ｄへの関与が始まっている。 2030年からＥｃｍ＝３３ＴｅＶの　High-Energy LHC (HE-LHC)を作る可能性を、今年になってＣＥＲＮが表明している。 カギを握るのは高磁場磁石である。つまり、ＨＬ－ＬＨＣの収束磁石のＲ＆Ｄがどれだけ進むかが、ＨＥ－ＬＨＣが実現するかどうかを決める。

29 LHC nominal performance
Nominal settings Beam energy (TeV) 7.0 Number of particles per bunch Number of bunches per beam 2808 Crossing angle (rad) 285 Norm transverse emittance (m rad) 3.75 Bunch length (cm) 7.55 Beta function at IP 1, 2, 5, 8 (m) 0.55,10,0.55,10 Derived parameters Luminosity in IP 1 & 5 (cm-2 s-1) 1034 Luminosity in IP 2 & 8 (cm-2 s-1)* ~5 1032 Transverse beam size at IP 1 & 5 (m) 16.7 Transverse beam size at IP 2 & 8 (m) 70.9 Stored energy per beam (MJ) 362 * Luminosity in IP 2 and 8 optimized as needed 1/2/2019

30 古いパラメータ parameter symbol nominal ultimate ES FCC LE LPA
transverse emittance e [mm] 3.75 1.0 protons per bunch Nb [1011] 1.15 1.7 4.9 bunch spacing Dt [ns] 25 50 beam current I [A] 0.58 0.86 0..86 1.22 longitudinal profile Gauss Flat rms bunch length sz [cm] 7.55 11.8 beta* at IP1&5 b* [m] 0.55 0.5 0.08 0.1 0.25 full crossing angle qc [mrad] 285 315 311 381 Piwinski parameter f=qcsz/(2*sx*) 0.64 0.75 3.2 2.0 geometric reduction 0.30 0.99 peak luminosity L [1034 cm-2s-1] 1 2.3 15.5 16.3 10.7 peak events per #ing 19 44 294 309 403 initial lumi lifetime tL [h] 22 14 2.2 4.5 effective luminosity (Tturnaround=10 h) Leff [1034 cm-2s-1] 0.46 0.91 2.4 2.5 Trun,opt [h] 21.2 17.0 6.6 6.4 9.5 (Tturnaround=5 h) 0.56 3.6 3.7 3.5 15.0 12.0 4.6 6.7 e-c heat SEY=1.4(1.3) P [W/m] 1.1 (0.4) 1.04(0.6) 1.0 (0.6) 0.4 (0.1) SR heat load K PSR [W/m] 0.17 0.36 image current heat PIC [W/m] 0.15 0.33 0.78 gas-s. 100 h (10 h) tb Pgas [W/m] 0.04 (0.4) 0.06 (0.6) 0.06 (0.56) 0.09 (0.9) extent luminous region sl [cm] 4.3 1.5 5.3 comment D0 + crab crab wire comp. 古いパラメータ