International Linear ColliderS. Guiducci

Macchine AcceleratriciCorso per la formazione di operatori e conduttori di macchine

acceleratici.Catania 11/15-6-2007

ILC• Nel secolo passato i fisici hanno esplorato fenomeni su scala

sempre più piccola per comprendere i componenti fondamentali dell’universo, cercando di spiegare l’origine della massa e la teoria di extra dimensioni.

• Recentemnte esperimenti ed osservazioni hanno messo in evidenza che possiamo rendere conto solo del 5% dell’universo.

• Il restante 95% percento e’ una misteriosa materia oscura ed energia oscura

• La comunita’ dei fisici delle particelle concorda sul fatto che una macchina di precisione come ILC rispondera’ alla domanda di cosa e’ fatto l’universo e fornira’ nuove scoperte su come funziona: nuove forme di materia, nuove forze, nuove dimensioni dello spazio e del tempo e la possibilita’ di una teoria unificata delle forze ricercata da Einstein.

International Linear Collider

• Collisore lineare per elettroni e positroni ad energie ben maggiori di quelle degli attuali acceleratori

• Sarà complementare al collider protone-protone del CERN, LHC, e permettera’ di fare misure di precisione sui componenti fondamentali della materia

• Ecm = 200 ÷ 500 GeV nel centro di massa• Lunghezza ~ 35 km• Estensibile fino a 1 TeV (50 km) nella fase II• Luminosità = 2 1034 cm-2 s-1

• Fasci polarizzati• Cavita’ RF Superconduttrici• Collaborazione Internazionale a livello mondiale

Ecm ≥ 500 GeV

• Perche’ un linear collider?

• Energia irraggiata per giro in un anello di accumulazione U0∝ E4/ρ.

• A 250 GeV, con il raggio di LEP, un e-/e+

irraggia in un giro circa meta’ della sua energia

ρLEP = 3.1 Km; CLEP = 27 KmU0 = 111 GeV

SLC e’ stato il prototipo del linear collider e ne ha dimostrato la fattibilita’

SLACLINEAR

COLLIDER

1986 - 1998

Luminosita’

L = 2 1034 cm-2 s-1 per Ecm = 500 GeV

L = fcoll

N2HD

4πσ xσ y

= Ib

N4πσ xσ y

HD

H ≈ 2Densita’ trasversa

del pacchetto

fcoll frequenza di collisione

N numero di particelle per pacchetto

σx, σy dimensioni trasverse del fascio rms

Ib = N fcoll corrente per pacchetto

HD ~ 2 Disruption factor: effetto del focheggiamento da parte del campo elettrico del pacchetto opposto

Luminosity Challenge

L = 2 1034 cm-2 s-1 for Ecm = 500 GeV

Transverse

bunch density

L = η PAC

Ecm

N

4πσ xσ y

HD

Beam Power Pb = IbE cm = ηPAC

Power conversion

efficiency

Colliders di alta energia richiedono dimensioni piccolissime all’IP

DAΦNE ILC

• Ecm (GeV) 1 500

• σσσσx 800 µµµµm 639 nm • σσσσy 7.0 µµµµm 5.7 nm

Parametri di progetto

Vantaggi delle cavita’superconduttrici

Alto Q, bassa frequenza RF• Elevata efficienza tra potenza RF e

potenza al fascio– Piccoli campi scia e associata crescita di

emittanza del linac – Alta stabilita’ dei fasci

• Rapido feedback di orbita• Tolleranze di allineamento rilassate

Svantaggi delle RF SC

• Basso gradiente accelerante – Limita l’aumento in energia

• Damping ring molto lungo (6.5 km)• Kickers di iniezione/estrazione difficili

ILC

•Sorgente e+

•Sorgente e-•Damping rings

•Linac

•Transfer line e bunch compressor•BDS (collimator, final focus, beam dump)

30 km

Cavita’ RF Superconduttrice a 9 celle

ILC usera’ 16,000 cavita’ SC di Niobium

Assemblaggio di una stringa of otto cavita’ a 9 celle nella camera pulita a DESY

Cavita’ ad alto gradiente

• Per ottenere cavita’ ad alto gradiente e’ necessaria un’elevata purezza del Niobio ed una complessa procedura che include pulitura chimica, elettropulitura e lavaggi ad alta pressione.

• Nelle 3 regioni si sta cercando di concordare una procedura standard utilizzabile su scala industriale per ottenere alti gradienti su piu’ dell’80% delle cavita’

• Test facilities per assemblaggio e test di cavita’ a 9 celle:• US, Fermilab ILC Test Accelerator (ILCTA)• Japan, KEK Superconducting Test Facility(STF)• Europe, DESY FLASH Linac

Esempi di cavita’ con gradiente >35 MV/m a DESY

Criomodulo

Criomodulo TESLAdisegno INFN

Prototipo

Tunnel doppio

Sorgente e-

• Polarized e- source based on a photocathode DC gun

• Produce pacchetti di electron con polarizzazione >80%;• cattura e accelera il fascio a 5 GeV;• trasporta il fascio al damping ring

Sorgente e+

•Ondulatore elicoidal SC lungo 150 m•Targetta positroni: ruota cilindrica, 1 m diametro, 100 m/s. Altissimi livelli di radiazione ⇒⇒⇒⇒ movimentazione remota

Damping Rings

• Reducono l’ emittanza di e+ ed e-

(col damping di radiazione)• Accumula 2600 - 5200 pacchetti dall’impulso

Linac (lungo 1 ms) in modo compresso:distanza tra i pacchetti: 6-3 ns

periodo: 22 µscirconferenza: 6.5 Km

e+ Damping Ring Layout

L’anello di e- e’ identico e sovrapposto in verticale

Caratteristiche del Damping Ring

• E = 5 GeV

• Bassa emittanza e breve tempo di damping– lunghi wigglers– Lwig = 160 m

• Kickers di iniezione/estrazione difficili- Tempo salita/discesa < 3 ns - ~20 kickers per l’iniezione nell’anello e+- Stabilita’ molto alta

Struttura temporale dei pacchetti

15

23

4

6 2345 1

1 ms200 ms f = 5Hz

1 ms

369 ns

DR Linac

Linac

369 ns

6 ns

2610 bunches

Iniezione/Estrazione

trajectory of stored beam

trajectory of incoming beam

preceding bunch

following bunch

emptyRF bucket

injection kicker

Il nuovo pacchetto viene iniettato in un pacchetto vuoto direttamente sull’orbita di riferimento

Non kicked bunches

kicked bunch

Iniezione a DAΦNE

Pacchetto in arrivo

Pacchetti accumulati

k1 k2

Setto

When HV is applied the possibility of discharges is higher in the end-section of the kicker electrodes, where the electrode itself is closer to the vacuum tube.

HV 50 Ohm (wide band) commercial feedthrough does not exist and an R&D activity has been necessary. The wide band of the feedthroughs is important to keep low the beam impedance of the kicker even well beyond the frequencies content of the input pulse.

A stripline with the same dimension and the same distance from the chamber of the kicker stripline in the end section has been built. Coax ceramic feedthrough have been mounted on this test device and HV tests have been done.

R&D activity on HV feedthrough @LNF and kicker prot otype tests (1/3)

D. Alesini

Beam Delivery System

• Focheggia i fasci alle dimensioni estremamente piccole richieste dalla luminosita’ e li porta alla collisione•Trasporta i fasci “usati” al pozzo di spegnimento•Diagnostica e feedback per le collisioni•Collimazione delle particelle a grandi ampiezze

14 mrad angolo di incrocio

~ 5 km lunghezza totale

2 detectors in una sola IR

All’IP: σσσσx 639 nm ; σσσσy 5.7 nm

ββββx 20 mm ; ββββy 0.4 mm

Beam Delivery System

Collaborazione Internazionale

• Pianificare, progettare, finanziare ILC richiede una partecipazione ed un’organizzazione a livello mondiale

• Un gruppo internazionale di piu’ di 60 scienziati ed ingegneri diretti da Barry Barish guida il GDE (Global Design Effort).

• Il GDE stabilisce il progetto e le priorita’ per il lavoro di centinaia di fisici ed ingegneri in piu’ di 100 universita’ e laboratori in tutto il mondo

GDE Milestones

• Baseline Configuration: layout e parametri della macchina - LNF Dec 2005

• Reference Design Report: progetto e stima dei costi - Pechino Feb 2007

• Disegno ingegneristico Engineering Design Report (EDR) per la costruzione 2010

• Tempi tecnici (se la decisione arriva presto):• 2012 inizio costruzione• 2019 inizio operazione

Costo totale stimato per il Reference Design 4.87 Miliardi $+ infrastrutture per 1.78 Miliardi $