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

The 10 year technical Plan

SPC Aug 201024th August 2010

７ＴｅＶ １ｆｂ－1 １３～１４ＴｅＶ ～100ｆｂ－1

１４ＴｅＶ ～300ｆｂ－1

Ｌ～２ｘ１０３４ ｃｍ－２ｓ－１

Ｌ～１ｘ１０３４ ｃｍ－２ｓ－１

設計値を達成

ＨＬ－ＬＨＣ

3

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？？

4

High-luminosity LHC(HL-LHC)

Higher-energy LHC(HE-LHC)

なぜupgradeか?

5

•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

HL-Luminosity で何ができるか?3000ｆｂ－1の物理

6

• 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)

初期のＬＨＣの結果によって大きく変わる。（→兼村氏のトーク）

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

μ

600fb-1 → 3.5σ6000fb-1 →9.5σ

H→ μμ Br ～ 10－4

初期ＬＨＣでは厳しい→

For M h = 120 GeV

For M h = 140 GeV

7

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。

• High statistics → High Energy

ヒッグス粒子g

陽子

陽子７TeV

g

SUSY探索範囲：2.5TeV -> 3 TeV

8

– 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

3000/fbの物理

9

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、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） 10

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.

11

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）かたまりの大きさ16μｍ（髪の毛より細い）

加速器のビームパイプ（真空）

バンチは一秒間に4千万回交差

一回の交差で約20個の陽子と陽子がぶつかる

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。

LHCでの陽子・陽子衝突

12

いかにしてHigh-Luminosityを達成するか

FfkNFfkNLn

b

yx

b*

22

44 βπεγ

σπσ==

N: 各バンチの中の粒子の個数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

+

=

yx

zc

F

σπσσθ

41

122

F:衝突角度（θc）の影響

θc

13

LHC phase-2 upgrade paths for IP1 & 5

• ultimate beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing), β* ~10 cm • early-separation dipoles in side detectors , crab cavities

→ hardware inside ATLAS & CMS detectors, first hadron crab cavities; off-δ β

stronger triplet magnetsD0 dipole

J.-P. Koutchoukearly separation (ES)stronger triplet magnets

• ultimate LHC beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing)• β* ~10 cm • crab cavities with 60% higher voltage

→ first hadron crab cavities, off-δ β-beat

L. Evans,W. Scandale,F. Zimmermann

full crab crossing (FCC)

larger-aperture triplet magnets

• 50 ns spacing, longer & more intense bunches (5x1011 p’s/bunch)• β*~25 cm, no elements inside detectors• long-range beam-beam wire compensation

→ novel operating regime for hadron colliders, beam generation

F. Ruggiero,W. Scandale.F. Zimmermann

large Piwinski angle (LPA)stronger triplet magnets

• ultimate LHC beam (1.7x1011 p’s/bunch, 25 ns spacing)• β* ~10 cm • smaller transverse emittance

→ constraint on new injectors, off-δ β-beat

R. Garobylow emittance (LE)

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。

14

averageluminosity

設計にあたっての考察

現在の目標： ルミノシティ ５ｘ１０３4ｃｍ－２ｓ－１ with ‘luminosity leveling’

FfkNFfkNLn

b

yx

b*

22

44 βπεγ

σπσ==

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

15

ES, low β*,with leveling

LPA, long bunches, with leveling

events/crossing 300 300run time N/A 2.5 hav. luminosity N/A 2.6x1034s-1cm-2

events/crossing 150 150run time 2.5 h 14.8 hav. luminosity 2.6x1034s-1cm-2 2.9x1034s-1cm-2

events/crossing 75 75run time 9.9 h 26.4 hav. luminosity 2.6x1034s-1cm-2 1.7x1034s-1cm-2

assuming 5 h turn-around time

examplesL.Rossi

L～10×1034

L～5×1034

L～2.5×1034

16

LHC upgradeのための技術開発

• 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

FfkNLn

b*

2

4 βπεγ

=

17

クラブ空洞

JLABCI/DL

CI/DL KEK

KEK

BNL

SLAC

世界中の研究所で設計競争がはじまっている。

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 β∗

(for β∗ 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

FfkNLn

b*

2

4 βπεγ

=

18

いかにしてHigh-Luminosityを達成するか

②クラブ交差Lumi: x1.5

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

FfkNFfkNLn

b

yx

b*

22

44 βπεγ

σπσ==

④コリメータのアップグレード

①さらに強い収束磁石

β＊ = 0.55m -> 0.23mLumi: x1.6 ( 正面衝突ならx 2.5）

日本の得意分野

19

L. Evans – EDMS Document 905931

Layout of the new injectors

SPS

PS2

SPL

Linac4

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

建設着工

20

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

9/15/2010

LHC beam route

LINAC2BOOSTER

(PSB)PS

SPS

1972

1959

1976

22

28 June 2010

Intensity Limits

Intensity Limitations (1011 protons per bunch)

Present SPL-PS2 2GeV in PSLinac2/LINAC4 4.0 4.0 4.0PSB or SPL 3.6 4.0 3.6PS or PS2 1.7 4.0 3.0SPS 1.2 >1.7? >1.7?LHC 1.7-2.3? 1.7-2.3? 1.7-2.3?

Reminder design = 1.15 (for 1034); Ultimate = 1.7 (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。

S. Myers

23

HE-LHC“First Thoughts on a Higher-Energy LHC”

Ralph Assmann, Roger Bailey, Oliver Brüning, OctavioDominguez Sanchez, Gijs de Rijk, Miguel Jimenez, Steve Myers, Lucio Rossi, Laurent Tavian, EzioTodesco, 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 optimization3. Injector 4. Magnets5. Cryogenics studies6. Vacuum system7. Collimation issues

9/15/2010EuCARD-AccNet mini-workshop on a higher-energy LHC

“HE-LHC’10” –14-16 October ’10, Malta 24

HE-LHC

25

Nb3Sn + HTS

magnets

transmissionline magnets

of new injector

• 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

Field in the coil (one pole shown) at 20 T operational field

Sketch of the double aperture magnetwith the iron yoke – Coils are in blue

高磁場磁石の開発を今進めることは将来を

25

HE-LHC

9/15/2010 26

Provisional parameter list for LHC energy upgrade 33 TeV centre-of-mass energy

26

• 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– 2022-30 building/preparing new 1.3-TeV injector – 2030-33 installation of HE-LHC ring in LHC tunnel

9/15/2010

HE-LHCL. Rossi: Fermilab でのトーク（2010年7月29日）

→2035年 実験開始????

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 Higher-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。 28

LHC nominal performance

9/15/2010

Nominal settingsBeam energy (TeV) 7.0Number of particles per bunch 1.15 1011

Number of bunches per beam 2808Crossing angle (µrad) 285Norm transverse emittance (µm rad) 3.75Bunch length (cm) 7.55Beta function at IP 1, 2, 5, 8 (m) 0.55,10,0.55,10

Derived parametersLuminosity 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 (µm) 16.7Transverse beam size at IP 2 & 8 (µm) 70.9Stored energy per beam (MJ) 362

* Luminosity in IP 2 and 8 optimized as needed

29

parameter symbol nominal ultimate ES FCC LE LPAtransverse emittance ε [µm] 3.75 3.75 3.75 3.75 1.0 3.75protons per bunch Nb [1011] 1.15 1.7 1.7 1.7 1.7 4.9

bunch spacing ∆t [ns] 25 25 25 25 25 50beam current I [A] 0.58 0.86 0.86 0.86 0..86 1.22longitudinal profile Gauss Gauss Gauss Gauss Gauss Flatrms bunch length σz [cm] 7.55 7.55 7.55 7.55 7.55 11.8beta* at IP1&5 β∗ [m] 0.55 0.5 0.08 0.08 0.1 0.25full crossing angle θc [µrad] 285 315 0 0 311 381Piwinski parameter φ=θcσz/(2*σx*) 0.64 0.75 0 0 3.2 2.0

geometric reduction 1.0 1.0 0.86 0.86 0.30 0.99peak luminosity L [1034 cm-2s-1] 1 2.3 15.5 15.5 16.3 10.7peak events per #ing 19 44 294 294 309 403initial lumi lifetime τL [h] 22 14 2.2 2.2 2.0 4.5effective luminosity (Tturnaround=10 h)

Leff [1034 cm-2s-1] 0.46 0.91 2.4 2.4 2.5 2.5Trun,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 3.5Trun,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 0.36image current heat PIC [W/m] 0.15 0.33 0.33 0.33 0.33 0.78gas-s. 100 h (10 h) τb 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 σl [cm] 4.5 4.3 3.7 3.7 1.5 5.3comment nominal ultimate D0 + crab crab wire comp.古いパラメータ 30