CERNの動向

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）
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
The 10 year technical Plan
７ＴｅＶ
１３～１４ＴｅＶ
１ｆｂ－1
～100ｆｂ－1
Ｌ～１ｘ１０３４ｃｍ－２ｓ－１
設計値を達成
１４ＴｅＶ
～300ｆｂ－1
Ｌ～２ｘ１０３４ｃｍ－２ｓ－１
24th August 2010
SPC Aug 2010
ＨＬ－ＬＨＣ
LHCの長期計画の始まり
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
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
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 ?
5 Collisions (0.2 x 1034 cm-2 s-1)
400 Collisions (1035 cm-2 s-1)
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）
6
H→ μμ
Br ～ 10－4
初期ＬＨＣでは厳しい→
600fb-1 → 3.5σ
6000fb-1 →9.5σ
Higgs 発見後のHiggs 精密測定：
Higgs と他の粒子との結合係数測定 →本当に質量に比例するか？
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 = 140 GeV
h
For M = 120 GeV
h
μ
• 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。
陽子
g
SUSY探索範囲：
2.5TeV -> 3 TeV
ヒッグス粒子
g
陽子
７TeV
8
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
LHC アップグレードプロジェクトの推移
• 2008年4月：SLHC-PP
LHC upgrade）の設立
（The Preparatory Phase of the
（ 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、2012-2013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（2016-2017)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）
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 ~ 2
1034 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 ~ 5 1034 cm-2 s-1 yielding about 300 fb-1 per
year.
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
一回の交差で約20個の
バンチは一秒間に
陽子がかたまりに
陽子と陽子がぶつかる
4千万回交差
なって加速器の中を
回る（バンチ）
かたまりの大きさ16μｍ
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、
（髪の毛より細い）
一日に数回入替えをする。
いかにしてHigh-Luminosityを達成するか
N kb f
N kb f
L
F
F
*
4 x y
4 n 
2
2
N:
kB :
ｆ；
各バンチの中の粒子の個数
バンチの数
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
F
1
  c2 z2
1 
 4 
x y





c
F:衝突角度（c）の影響
LHC phase-2 upgrade paths for IP1 & 5
early separation (ES)
J.-P. Koutchouk
stronger triplet magnets
D0 dipole
•
•
ultimate beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing), * ~10 cm
early-separation dipoles in side detectors , crab cavities
→ hardware inside ATLAS & CMS detectors,
first hadron crab cavities; off-d 
large Piwinski angle (LPA)
F. Ruggiero,
W. Scandale.
F. Zimmermann
•
•
•
full crab crossing (FCC) L.W.Evans,
Scandale,
stronger triplet magnetsF. Zimmermann
•
•
•
ultimate LHC beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing)
* ~10 cm
crab cavities with 60% higher voltage
→ first hadron crab cavities, off-d -beat
low emittance (LE)
R. Garoby
stronger triplet magnets
larger-aperture triplet
magnets
いろいろなＯｐｔｉｏｎが検討されてきたが、振り出しに
11 p’s/bunch)
(5x10戻っている。
• ultimate LHC beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing)
50 ns spacing, longer & more intense bunches
*~25 cm, no elements inside detectors
long-range beam-beam wire compensation
→ novel operating regime for hadron colliders, beam generation
•
•
* ~10 cm
smaller transverse emittance
→ constraint on new injectors, off-d -beat
設計にあたっての考察
N 2kb f
N 2kb f
L
F
F
*
4 x y
4 n 
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’
L.Rossi
ES, low *,
with leveling
events/crossing
300
L～10×1034
run time
N/A
examples
av. luminosity
events/crossing
run time
L～5×1034
LPA, long bunches,
with leveling
300
2.5 h
N/A
150
2.6x1034s-1cm-2
150
2.5 h
14.8 h
av. luminosity
2.6x1034s-1cm-2
events/crossing
75
34
L～2.5×10
run time
9.9 h
2.9x1034s-1cm-2
2.6x1034s-1cm-2
1.7x1034s-1cm-2
av. luminosity
75
26.4 h
assuming 5 h turn-around time
LHC upgradeのための技術開発
N 2 kb f
L
F
*
4 n 
• High Gradient/Large Aperture の四重極磁
石の開発(Bpeak 13-15 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
17
クラブ空洞
N 2 kb f
L
F
*
4 n 
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
BNL
KEK
CI/DL
CI/DL
KEK
SLAC
JLAB
世界中の研究所で設計競争がはじまっている。
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.
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
18
いかにしてHigh-Luminosityを達成するか
N 2kb f
N 2kb f
L
F
F
*
4 x y
4 n 
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
③よりたくさんのビーム
を入射： Injector upgrade
N: 1.15x1011 → 1.5-1.7x1011
Lumi: x2-3
β＊ = 0.55m -> 0.23m
Lumi:
x1.6 ( 正面衝突ならx 2.5）
④コリメータのアップグレード
Layout of the new injectors
SPS
PS2
SPL
PS
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
L. Evans – EDMS Document 905931
建設着工
Linac4
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
21
Present accelerator complex
1976
1972
LHC beam
route
1959
9/30/2015
LINAC2
BOOSTER
(PSB)
PS
SPS
22
Intensity Limits
S. Myers
11
Intensity Limitations (10 protons per bunch)
Reminder design = 1.15 (for 1034); Ultimate = 1.7 (for 2.3x1034)
Linac2/LINAC4
PSB or SPL
PS or PS2
SPS
LHC
Present
4.0
3.6
1.7
1.2
1.7-2.3?
SPL-PS2
4.0
4.0
4.0
>1.7?
1.7-2.3?
2GeV in PS
4.0
3.6
3.0
>1.7?
1.7-2.3?
• 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
23
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:
1.
Parameters
2.
Luminosity optimization
3.
Injector
4.
Magnets
5.
Cryogenics studies
6.
Vacuum system
7.
Collimation issues
9/30/2015
EuCARD-AccNet mini-workshop on a higher-energy LHC
“HE-LHC’10” –14-16 October ’10, Malta
24
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 14-16 October in Malta
Nb3Sn +
HTS
magnets
Sketch of the double aperture magnet
with the iron yoke – Coils are in blue
25
Field in the coil (one pole shown) at 20 T operational field
transmission
line magnets
of new injector
HE-LHC
Provisional parameter list for LHC energy upgrade 33 TeV centre-of-mass energy
9/30/2015
26
• Main issues
HE-LHC
L. Rossi: Fermilab でのトーク
（2010年7月29日）
– 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
– 2022-30 building/preparing new 1.3-TeV injector
– 2030-33 installation of HE-LHC ring in LHC tunnel
→2035年実験開始????
9/30/2015
27
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。
LHC nominal performance
Nominal settings
Beam energy (TeV)
7.0
Number of particles per bunch
1.15 1011
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
9/30/2015
29
parameter
symbol
transverse emittance
 [m]
3.75
3.75
3.75
3.75
1.0
3.75
protons per bunch
Nb [1011]
1.15
1.7
1.7
1.7
1.7
4.9
bunch spacing
Dt [ns]
25
25
25
25
25
50
beam current
I [A]
0.58
0.86
0.86
0.86
0..86
1.22
Gauss
Gauss
Gauss
Gauss
Gauss
Flat
longitudinal profile
nominal
ultimate
ES
FCC
LE
LPA
rms bunch length
z [cm]
7.55
7.55
7.55
7.55
7.55
11.8
beta* at IP1&5
 [m]
0.55
0.5
0.08
0.08
0.1
0.25
full crossing angle
c [rad]
285
315
0
0
311
381
Piwinski parameter
fcz/(2*x*)
0.64
0.75
0
0
3.2
2.0
1.0
1.0
0.86
0.86
0.30
0.99
1
2.3
15.5
15.5
16.3
10.7
19
44
294
294
309
403
22
14
2.2
2.2
2.0
4.5
geometric reduction
peak luminosity
L [1034 cm-2s-1]
peak events per #ing
initial lumi lifetime
tL [h]
effective luminosity
(Tturnaround=10 h)
Leff [1034 cm-2s-1]
0.46
0.91
2.4
2.4
2.5
2.5
Trun,opt [h]
21.2
17.0
6.6
6.6
6.4
9.5
effective luminosity
(Tturnaround=5 h)
Leff [1034 cm-2s-1]
0.56
1.15
3.6
3.6
3.7
3.5
Trun,opt [h]
15.0
12.0
4.6
4.6
4.5
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)
1.0 (0.6)
1.0 (0.6)
0.4 (0.1)
SR heat load 4.6-20 K
PSR [W/m]
0.17
0.25
0.25
0.25
0.25
0.36
image current heat
PIC [W/m]
0.15
0.33
0.33
0.33
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)
0.06 (0.56)
0.06 (0.56)
0.09 (0.9)
extent luminous region
l [cm]
4.5
4.3
3.7
3.7
1.5
5.3
D0 + crab
crab
comment
古いパラメータ
nominal
ultimate
wire comp.

Download Report