LHC Panorama dello starting-up W. Scandale CERN INFN gruppo I Frascati, 12 novembre 2003.

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1 LHC Panorama dello starting-up W. Scandale CERN INFN gruppo I Frascati, 12 novembre 2003

2 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20032 Indice Parametri e struttura di LHC Dipoli Vuoto Collimazione Estrazione e dump dei fasci Scenari di running-in

3 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20033 “The LHC is a global project with the world-wide high- energy physics community devoted to its progress and results” “As a project, it is much more complex and diversified than the SPS or LEP or any other large accelerator project constructed to date” Che cosa è LHC? Opinione espressa nel marzo 2002 da Maury Tigner, Chairman del LHC Machine Advisory Committee

4 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20034 Date salienti  May 1983 to Nov 1994: various design studies  Dec 1994: Official approval by CERN Council  Sep 1996: First contracts (50000 t of steel, civil engineering supervision, 8 test benches) by Financial Committee  Dec 1999: Final LHC configuration approval  Nov 2000: Start LEP dismounting  Nov 2001:Contracts for the main magnets (dipoles and quadrupoles)  Nov 2003: Start cryo-line installation  Nov 2004: Start cryo-magnet installation  Mar 2006: Test of the octant 7-8 (may be injection of the counter-rotating beam through Pit 8)  Nov 2006: End of dipole and quadrupole production  Apr 2007: Start of LHC commissioning

5 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20035 Parametri principali di LHC Collision energy per beam(TeV)7.0 Dipole peak field(T)8.3 Luminosity(cm -2 s -1 )10 34 Injection energy(TeV)0.45 Circulating current per beam(A)0.56 Number of bunches2808 Particles per bunch1.1x10 11 Stored beam energy per beam(MJ)350 Beam size at IP(  m)15.9 Beta values at IP(m)0.55 Normalised emittance( µm)3.75 Crossing angle(µrad)250 Beam lifetime(h)22 Luminosity lifetime(h)10 Radiated power per beam(kW)3.7

6 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20036 Struttura dell’acceleratore C= 26658.90 m Arc = 2452.23 m DS = 2 x 170 m INS = 2 x 269 m Free space for detectors:  23 m

7 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20037 1232 MB containing 1232 Main Dipoles + 3700 Spool Pieces 392 SSS containing 392 Main Quadupoles + 2500 Correctors Standard Arc layout Struttura dell’arco regolare

8 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20038 6 bus bars (13 kA) for MB, QD and QF 20 bus bars (600 A) for spool pieces (to compensate dipole field errors) 42 bus bars Sc (600 A)for correction magnets in the SSS (chromaticity’, tune, etc...) + 12 bus bars (6 kA) for special quadrupoles Protection diods Required interconnections: Beam pipes He pipes Cryostat Thermal screen Vacuum pipes Superconducting cables Interconnessioni fra magneti

9 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-20039 Il CERN è responsabile di Concezione e disegno Procedura di assemblaggio Qualità del campo magnetico Fornitura dei componenti, compresi i cavi superconduttori Dipoli Dipoles in the final assembly phase

10 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200310  Il cavo SC in condizioni “short sample”ha un campo critico di B = 9.7 T.  Al campo nominale, B = 8.3 T, il margine è del 15 %.  Alla temperatura di operazione, t = 1.9 K, i materiali hanno una capacità termica prossima a zero. Pertanto occorre assicurarsi che:  Ogni parte fredda sia costantemente immersa in un bagno di He II.  I conduttori SC sia meccanicamente stabili (non debbono esservi movimenti delle bobine per evitare rilascio di energia per attrito).  La radiazione sia ridotta (per evitare deposito di energia di radiazione e quindi surriscaldamento). Caratteristiche del Dipolo

11 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200311 Bobine collarate Controllo della qualità di campo: esempio della componente sestupolare

12 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200312 La pressa di saldatura Concepita e sviluppata al CERN Istallata nelle fabbriche Due saldature sincronizzate in 8 ore Procedimento STT: alta qualita e controllo sofisticato, È una PRIMA mondiale per acciaio austenitico Qualche problema di porosità delle saldature (grossi migliormenti grazie ad una task force attiva dal novembre 2002) Serve ancora un po’ di tempo per miglorare la precedura e per evitare riprese di saldatura Ogni dipolo è testato a 26 bar

13 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200313 Forma del dipolo dopo la saldatura Horizontal deviations from the curvilinear referential (with 9.1 mm sagitta)

14 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200314 “Training” dei dipoli fino a B = 8.3 T MB1005 (cold weld problem)

15 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200315 “Training” dei dipoli fino a B = 9.0 T Bonus di produzione

16 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200316 Memoria dopo un ciclo termico Comportamento ideale

17 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200317 Dipoli già consegnati al CERN Masse fredde in ritardo di circa 3 mesi

18 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200318 Dipoli già criostatati al CERN

19 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200319 Vuoto Nel tubo freddo (1.9 K) c’è uno schermo di fascio (20 K) che intercetta la luce di sincrotrone (3.8 kW per fascio, essenzialmente fatta di fotoni U.V.) per ridurre la potenza criogenica. I fori dello schermo agiscono come crio-pompe. I fori hanno una distribuzione random per evitare instabilità di fascio indotte da perdite di potenza em. Lo schermo è di acciaio per ridurre possibili deformazioni durante i quenches, ed è placcato in rame nella parete interna per ridurre la soglia di instabilità di parete resistiva. Lo schermo è raffreddato da due tubi saldati in alto ed in basso.

20 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200320 Vuoto L’ instabilità indotta dalla nuvola di elletroni è già stata osservata nel SPS. Essa produce un forte sovraccarico termico sul sistema criogenico. Si cura riducendo il numero di bunches e condizionando lo schermo (scrubbing). I fotoni incidenti sulle pareti dello schermo desorbono molecole di gas: La pressione residua aumenta Sono prodotti foto-elettroni. I foto-electtoni sono accelerati dal forte campo elettrico positivo dei bunch di protoni e si accumulano in cascata in una nuvola di elettroni.

21 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200321 Vuoto

22 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200322 Collimazione dei fasci

23 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200323 Effetto di un collimatore ideale (due stadi) Alone residuoApertura resudua Problemi aperti: Scelta del materiale (Z grande => deposito termico eccessivo) Impedenza resistiva (fino a 100 volte l’intero LHC) Nuvola di elettroni (eccesso di concentrazione locale)

24 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200324 Luminosità e densità di energia trasversa Soluzione a stadi di sofisticazione crescente: Occorre imparare come ottenere un’efficienza del 99.91 % Luminosità iniziale ridotta (fattore 3 ?)

25 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200325 Sistema di dump del fascio

26 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200326 Sistema di diluizione del fascio estratto

27 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200327 Il punto sui sistemi hardware La costruzione dei sistemi harware LHC è in pieno svolgimento: L’attenzione è concentrata sulla produzione industriale In alcuni casi la produzione non ha raggiunto la velocità di crociera ( però ci sono i presupposti industriali per raggiungerla - personale ed infrastrutture nelle ditte ). Le procedure di QA (Quality Assurance) sono ben definite, occorre essere vigilanti nell’imporle all’industria. Le tecnologie a rischio impongono continui ed approfonditi test di funzionalità e riaggiustamenti dei parametri. Il test a freddo dei magneti va reso più spedito (fattore 4 ?): per un ristretto numero di magneti (forse 300 ) potrebbe essere necessario eseguire un programma ridotto di verifiche essenziali (test di integrità elettrica, test di vuoto, training).

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29 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200329 Possibili limitazioni dei parametri nominali Kickers di diluizione 8/20 Intensità totale ≤ 50 % del valore nominale (L ≤ 0.5·10 34 ) Nuvola di elettroni ∆t = 25 ns => N b ≤ 35 % del valore nominale (L ≤ 1.2·10 33 ) ∆t = 75 ns => N b = valore nominale (L ≤ 3.3·10 33 ) Collimazione da ottimizzare N b ≤ 35 % del valore nominale (L ≤ 1.2·10 33 ) Per perdite istantanee di fascio: Limite di quench I ≤ 5·10 9 Limite di danneggiamento I ≤ 2·10 12

30 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200330 Preparazione dei fasci Sul pianerottolo di iniezione, un solo bunch pilota (N b = 3·10 9 ) Chiudere l’orbita Aggiustare le frequenze di betatrone (Q) Aggiustare la cattura e la regolazione RF Aggiustare la cromaticità (Q’) Minimizzare l’accoppiamento lineare Minimizzare la dispersione Correggere gli effetti non lineari Valutare l’apertura meccanica Valutare l’apertura dinamica Orbita rms ≤ 250 µm Orbita nei collimatori ≤ 50 µm Dispersione relativa di energia ≤10 -4 Spread di Q ≤ 0.003 Q’ = 1  2 unità Accoppiamento lineare ≤ 0.005 Regolazione dei feedback Ottimizzazione di complessità crescente

31 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200331 Preparazione dei fasci Regolazione della rampa Snapback Feedbacks Feed-forward Beam dump tracking Regolazione del pianerottolo a 7 TeV Riproducibilità del ciclo Allineamento dell tripletto Regolazione di D1/D2 C   squeezing Usare k = 43 Incrocio head-on (  =0) Assenza di interazioni parassite Assenza di nuvola di elettroni Preparazione delle collisioni

32 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200332 Possibili steps del running-in E = 6 TeV Aumenta il margine termico prima del quench (fattore 2) k = 43 (o forse 86), bunches equispaziati Test approfondito dell’acceleratore Fisica in modo pasassitico L = 2·10 26 fino a 1.2·10 31 cm -2 s -1 k = 936, bunches in treni nominali Operazione multi-bunch Verso  -sqeezing ed angolo d’incrocio nominali Operazione di scrubbing Verso i b nominale Fisica in modo pasassitico L = 5·10 32 fino a 2.5·10 33 cm -2 s -1 (pile-up > 10) k = 2808, bunches in treni nominali Completamento run di scrubbing Fisica in condizioni nominali L = 2.5·10 33 fino a 1·10 34 cm -2 s -1 (ed oltre…)

33 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200333 Preparazione dei fasci Scenario per le collisioni Solenoidi accesi ed orbita chiusa ottimizzata Collisioni frontali di 43 contro 43 bunches ad alta intensità Offset di 75 ns necessario per avere collisioni per LHCb Scenario 1: k = 43  * = 1.0 m, N b = 0.9 10 11 L = 6·10 31 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 6 Prime collisioni Scenario2: k = 43  * = 0.55 m, N b = 0.9 10 11 L = 1.2·10 32 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 14 Tests per l’acceleratore: Ottimizzazione  -sqeezing Test incroci ad angolo Effetti errori tripletti (   

34 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200334 Molti bunches spaziati di 75 ns Motivazioni: Assenza di nuvola di elettroni Angolo di incrocio ridotto (  ≤ 250 mrad) Scenario 1: k = 936  * = 1.0 m, N b = 0.5 10 11,  ≤ 250 mrad L = 5·10 32 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 2 Scenario2: k = 936  * = 0.55 m, N b = 0.9 10 11,  ≤ 250 mrad L = 1.2·10 33 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 6 Possibili sviluppi: Ottimizzazione  -sqeezing nominale (  m) Test incroci ad angolo nominale (  = 250 mrad) L = 2.5·10 32 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 13 } Cambiamento dovuto all’introduzione del beam screen nei tripletti

35 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200335 Bunches nominali spaziati di 25 ns Motivazioni: Studio della nuvola di elettroni Scrubbing run (per ridurre la densità della nuvola di elettroni) Scenario 1: k = 2808  * = 0.55 m, N b = 0.4 10 11,  = 285 mrad L = 1.2·10 33 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 2 Scenario2: k = 936  * = 0.55 m, N b = 1.1 10 11,  = 285 mrad L = 1.0·10 34 cm -2 s -1 / ev. per xing ~ 20 N b può aumentare verso il valore nominale al progredire della pulizia dello schermo di fascio mediante scrubbing

36 W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-200336 Conclusion Nel 2007, LHC sarà pronto a produrre collision (a bassa luminosità) probabilmente a 12 TeV di energia nel centro di massa. Nel 2008, dovrebbe essere possibile iniziare l’operazione con collisioni piombo-piombo. Ulteriormente l’energia e la luminosità aumenteranno via via che si padroneggeranno i sistemi e le tecnologie più spinte funzionamento dei magneti, controllo dell’alone, Controllo della nuvola di elettroni controllo del fascio estratto, controllo dell’ottica dell’acceleratore, controllo dell’operazione multibunch ad alta intensità, controllo dell’interazione fascio rivelatori sperimentali etc… Un’impresa esaltante per tutta la comunità delle alte energie.