High Brightness Secondary Beams from Hadron-Photon Colliders: p, m, g, n Lorentz Boosted pion-muon Photo-cathodes Luca Serafini , Camilla Curatolo - INFN/Milan and Univ. of Milan Colliding the Highest Brilliance Photon beam with the Highest Luminosity Hadron beam ⇒ phase space density (small emittance) vs. low efficiency (small cross section) Hybridization: a machine developed for applied physics (FEL) joined to a machine developed for fundamental research (LHC) ?? TeV-class pion, muon, photon, neutrino beams with mm.mrad-class normalized transverse emittances Idea of shooting lasers to hadron beams is an old one… keywords: high brilliance, high 6D phase space density, highly relativistic Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

Not a new idea. but A. Dadi and C Not a new idea.. but A.Dadi and C.Muller analyzed a multi-photon reaction and didn’t make evaluations of the phase spaces for the generated pion/muon beams

Best Machines for High Brilliance Photon beams Why FEL’s ? Best Machines for High Brilliance Photon beams (though limited to 10-20 keV photon energy) Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

Brilliance of Lasers and X-ray sources ELI 12.4 1.24 0.124 l (nm) BELLA FLASH Thomson/Compton Sources Outstanding X/g photon beams for Exotic Colliders Sorgenti Thomson/Compton e Collisori Fotonici - Dottorato Roma1 - Oct. 2016

Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

f=100 Hz

X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

SPS X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016

Raggi X Monocromatici: Sorgenti di Luce di Sincrotrone di 3a e 4a Generazione 3a: Synchrotron Light Sources: energia fotoni X < 50 keV, durata temporale impulso di radiazione > 50 ps, dimensioni, costi: (100 m, 300 M$) 4a: X-ray Free Electron Laser (LCLS): energia fotoni ≤ 25 keV, durata impulso 1-100 fs, (1 km, 1 G$)

Nuovo Approccio: inverse Compton scattering (ICS), cioe’ retro-diffusione Thomson/Compton di fasci laser da parte di fasci relativistici di elettroni prodotti da acceleratori compatti. Energia fotoni X da 20 a 200 keV, durata impulso sub-ps, Paradigma Dimensioni-Costi (10 m , 10 M$) Grande vantaggio rispetto ai tubi a Raggi X convenzionali (bremsstrahlung): righe definite e regolabili nello spettro in energia permettono nelle tecniche di radiological imaging di non depositare dose di radiazione nei tessuti (coda di bassa energia dello spettro X di bremsstrahlung) che non trasporti informazione al rivelatore A volte menzionati come Laser Synchrotrons, cioe’ Sincrotroni Laser, in quanto il fascio laser collidente con il fascio di elettroni sostituisce i campi magnetici di dipolo o di ondulatore che deflettono il fascio di elettroni nelle Sorgenti di Luce di Sincrotrone

Nuova Generazione Collisore elettrone-fotone altamente asimmetrico e compatto* (cfr. LHC) *10 m, 10 M$ Fascio secondario di fotoni prodotto grazie al grande boost di Lorentz del sistema di riferimento del centro di massa elettrone-fotone (cfr. LHC, simmetrico, zero boost di Lorentz) Nuova Generazione Elettroni con energia nel range 10-100 MeV collidono contro fotoni laser con energia nel range 1-3 eV

Il principio della sorgente di raggi X Thomson La sfida tecnologica e’ far collidere due fasci contro-propaganti dello “spessore” di una decina di microns (due capelli) lanciati alla velocita’ della luce uno contro l’altro. LHC (bosone di Higgs) docet… L’ambizione e’ costruire sistemi cosi’ compatti e performanti da poter essere localizzati all’interno dei grandi Istituti Ospedalieri per la diagnostica e la terapia sui pazienti BriXS…

macchina compatta 10x10 m2 In operazione dai primi del 2015

Flusso misurato 5.1010 fotoni/s con 20 mA Righe spettrali measured Righe spettrali mono-cromatiche e accordabili Flusso misurato 5.1010 fotoni/s con 20 mA

CALA ELI-NP HigS STAR Le Sorgenti Thomson/Compton sono gli “acceleratori di fotoni” piu’ efficaci “4g2 boost effect” Courtesy A. Variola

Schema del dispositivo BriXS

Proposta BRIXS modulabile in 2 fasi: Fase 1: 32 M€ per un Linac CW Super-Conduttivo da 50 MeV accoppiato ad una cavità ottica Fabry-Perot per generare raggi X da 20 keV a 80 keV (1013 fotoni/s) Fase 2: 16 M€ addizionali per Linac upgrade a 80 MeV con raggi X fino a 200 keV ad altissimo flusso (1015 fotoni/ s) Investimento per impianti ed edilizia: 18 M€ INFN e UniMi hanno competenze leader in questi settori per la progettazione e costruzione di BriXS (Progetti XFEL, ELI-NP, STAR, SPARC-LAB) Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

STAR (Calabria) Linac 20-100 1011 (100 Hz) 18 Sorgenti Thomson esistenti ed in costruzione STAR (Calabria) Linac 20-100 1011 (100 Hz) 18 From THOMX Conceptual Design Report, A.Variola, A.Loulergue, F.Zomer, LAL RT 09/28, SOLEIL/SOU-RA-2678, 2010 Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016

Rivaling with Synchr. Light Sources for energies above 50 keV

The Classical E.M. view (Maxwell eq.): Thomson Sources as synchrotron radiation sources with electro-magnetic undulator FEL’s and Thomson/Compton Sources common mechanism: collision between a relativistic electron and a (pseudo)electromagnetic wave 3 km cm und. period lu 1-25 GeV electrons 100-0.5 Å photons 20-150 MeV electrons 0.8 m laser l 20-500 keV photons 20 m

X-ray flux NXbw in photons/sec within rms bandwidth bw Case A: head-on collision STAR-like UL energy of colliding laser pulse, Q electron bunch charge, fRF rep rate of electron bunches, sx electron beam spot size at collision Case B: BriXS-like with F-P optical cavity PFP power stored in Fabry-Perot cavity, <Ie> average electron beam current