1 RD-FC Attivita’ di ricerca per futuri acceleratori in gruppo 1 Marco Zanetti University of Padova and INFN

LHC e suo upgrade di luminosita’ dominano attualmente le attivita’ di gruppo 1 Non si puo’ prescindere dal pianificare attivita’sperimentali future volte a migliorare la comprensione attuale dei fenomeni fondamentali Situazione delicata: – Attualmente non in condizioni “win-win” (come Higgs ad LHC) Ma l’Higgs stesso costituisce un caso di fisica imperativo! – Prossima macchina richiedera’ sforzi tecnologici ed economici comparabili o superiori ad LHC Necessario studiare gia’ da ora tutte le opzioni di tecnologia e di fisica per rendere concrete le proposte per i prossimi collider Preambolo 2

Per interesse generale (gia’ diverse le attivita’ spontanee) e per volonta’ della presidente della CSN1 nasce una nuova sigla per ufficializzare ed incentivare gli studi sui nuovi acceleratori Lo scopo (cit. Nadia):.. e' di identificare R&D rilevanti e il piu' possibile anche di interesse trasversale alle varie tipologie di collider specifiche (ILC, CEPC,FCC, EIC, muon collider...) su cui si intende lavorare seriamente insieme, mantenendo aperta e costruttiva la discussione in commissione. Bedeschi riferirà in commissione il 7 Luglio sugli interessi in merito delle varie sezioni La nuova sigla 3

Il panorama 4 Very Large Circular Colliders (FCC, SppC)  colliders (SAPPHIRE, CLICHÉ,..) e + e - linear colliders (ILC, CLIC, AWAKE) Muon colliders

Storico interessamento a detector per ILC (ora cessato) Sin dagli inizi (~2012) collaborazione a studi di TLEP/FCC – Anche da parte di gruppo III (heavy-ions) – In collaborazione con gruppo IV Recente coinvolgimento nella proposta di muon collider nello schema di produzione da e + e - – In collaborazione con gruppo IV Il panorama a PD 5

FCC 6

7 International FCC collaboration (CERN as host lab) to study: pp-collider (FCC-hh)  main emphasis, defining infrastructure requirements km tunnel infrastructure in Geneva area e + e - collider (FCC-ee) as potential first step p-e (FCC-he) option HE-LHC with FCC-hh technology ~16 T  100 TeV pp in 100 km

FCC: accelerator technology 8 Main Milestones of the FCC Magnet Program Milestone Description M0 High J c wire development with industry M1 Supporting wound conductor test program M2 Design & manufacture 16T ERMC with existing wire M3 Design & manufacture 16 T RMM with existing wire M4 Design & manufacture 16T demonstrator magnet M5 Procurement of enhanced high J c wire M6 EuroCirCol design 16T accelerator quality model Manufacture and test of the 16 T EuroCirCol model ERMC (16 T mid-plane field) RMM (16 T in 50 mm cavity) Demonstrator (16 T, 50 mm gap) mid 2017 end 2017 end 2018 Magnets with bore Field records LBNL HD1 CERN RMC 16 T “dipole” levels reached with small racetrack coils LBNL 2004, CERN 2015

FCC: detector 9 Some design challenges: large η acceptance radiation levels of >50 x LHC Phase II pileup of ~1000 A B=6 T, R=6 m solenoid with shielding coil and 2 dipoles has been engineered in detail. Different alternative magnet systems are also being explored. R&D for FCC detectors is a natural continuation of the R&D for LHC Phase II upgrade

FCC: Fisica 10

Storico coinvolgimento in TLEP (P. Azzi e M.Z.): – Ottimizzazione dei parametri di macchina per massimizzazione luminosita’ – Fisica dell’Higgs Attuali impegni ufficiali in FCC-ee (convenership): – Fisica del Top (P.Azzi) – Machine-Detector Interface (N. Bacchetta) Entrambe le attivita’ sinergiche con FCC-hh FCC: Contributo PD 11

FCC: Contributo PD 12 Fisica di precisione del top a FCC-ee

FCC: Contributo PD 13 MDI ad FCC-ee

Low Emittance Muon Collider 14

Muons as tertiary from high intensity proton beam on target – Issue with target to sustain required intensity Large momentum transverse to the beam direction => huge emittance => need cooling – Major issue to be solved The conventional muon collider layout 15 Key Challenges Key R&D MW proton driver MW class target NCRF in magnetic field Ionization cooling High field solenoids (30T) High Temp Superconductor Cost eff. low RF SC Fast pulsed magnet (1kHz) Detector/ machine interface Fast acceleration mitigating  decay Background by  decay Fast cooling (  =2  s) by 10 6 (6D) ~  / sec Tertiary particle p    

Asymmetric e + e -   +  - with √s at threshold Muons at rest in CoM frame, boosted by large (p e+ - p e- ) => automatically getting low emittance The low emittance scheme 16 LHeC-class e+ source & e+ acceleration at 45 GeV (circular/linear options) e+ ring 100 KW target ++ -- isochronous rings

Pros: Low emittance: can be very small close to the μ+μ- threshold (2xm   0.21 GeV) Low background: smaller number of muons  reduced background/radiation from decay products More time to accelerate: large boost from asymmetric e + e - collisions Multi TeV collisions: ultimately, limited only by bending power! Cons: Rate: much smaller cross section wrt protons:  (e + e   +  - ) ~ 1  b at most: – Need L=10 40 cm -2 s -1 for Hz  rate.. e + e - initiated production features 17

Can we get an intense enough positron beam? – A factor 3 more than LHeC linac Can the target sustain the e+ power? – Thermal and mechanical stress Can we avoid losing too many positrons beyond the target? – Need a accumulator with a very high energy acceptance (>20%) – Need to deal with main background (Bhabha+  ’s) Critical aspect of e+ on target 18

Interesse attuale esclusivamente per la proposta di produzione “e+e- induced” Interessati (fino ad ora): – Gruppo 1: Patrizia Azzi, Donatella Lucchesi, Mauro Morandin, Gabriele Simi, M.Z. – Gruppo 4: Andrea Wulzer, Massimo Passera Attivita’ancora in via di definizione, nelle prossime slide alcuni contributi Muon Collider a PD 19

Ripetizione degli studi fatti da Antonelli et al. nel loro paper. Verifica di distribuzioni cinematiche e sezioni d’urto – Utilizzo di Babayaga come generatore Sezioni d’urto e cinematica 20 Mancanza di enhancement coulombiano

Ottimizzazione del punto di lavoro per l’energia del fascio di positroni: – Tradeoff tra enhancement della sezione d’urto e aumento dell’emittanza con luminosita’ come figura di merito Sezioni d’urto e cinematica 21

Study the same benchmark used for White Paper: – New heavy particles, both colored and EW charged  xsec can be predicted – FCC reach stops at M X = 7 TeV Hadron machine pays the price of the exponentially falling PDF  multi-TeV muon machine can be competitive! – Luminosity is critical Studi di Fisica 22

Due punti critici che si studieranno in Italia: – Targhetta in grado di sostenere potenza del fascio – Ottica dell’accumulatore che garantisca grandi accettanze in energia (>10%) Mettere in piedi setup (simulazione e calcolo) in grado di valutare performance sulla base di varie configurazioni – Processo iterativo di ottimizzazione Attivita’sperimentali: – Test della targetta su fascio di grande brillanza di elettroni di bassa energia (e.g. DAFNE). Test dell’ottica per accettanza energetica – Test di fascio di positroni ad energia sufficiente per produrre coppie di mu (e.g. H5 al CERN) Attivita’ future di interesse 23

Interesse nato spontaneamente su future colliders viene ora formalizzato in una nuova sigla di gruppo I. Possibilita’ di contributire in moltissimi aspetti – Non solo simulazioni ma anche test su fascio Padova attiva su due fronti: FCC (progetto bandiera del CERN) e Muon Collider (idea molto promettente) – Altre iniziative (ad es. AWAKE) ovviamente non precluse Sinergie: – Studi ri-applicabili in diversi contesti (ad es. MDI e simulazione di targhette) – Contributo anche da altri gruppi, in particolare gruppo IV Conclusioni 24

Azzi 30% Bacchetta 10% Lucchesi 30% Morandin 30%* Rossin 30% Zanetti 30% Checchia 10% Bertolin 10% PostDocs 20% (* da verificare compatibilita’ con sigla progetto europeo) Espressioni di interesse (%FTE) 25