Commissione V, Roma, 3 maggio 2013 v3 Giovanni Volpini una proposta per la realizzazione dei prototipi di magneti superconduttori correttori per le regioni di interazione di HL-LHC Commissione V, Roma, 3 maggio 2013 v3 Giovanni Volpini

Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013 sommario 1 il progetto HL-LHC motivazioni quadro organizzativo generale HL-LHC vs HiLumi (FP7) EU strategy update: statement la regione di interazione 2 obiettivi di questa proposta antecedenti & quadro possibile di collaborazione i prototipi di magneti da costruire uno sviluppo tecnologico parallelo: MgB2 piano temporale piano economico risorse coinvolte primi passi Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

1 contesto di riferimento: HL-LHC Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

evoluzione della luminosità a LHC: scenari prospettati Si assume qui un miglioramento ottimistico fino al 2012, e quindi il raggiungimento del valore nominale dal 2015 in poi. Anche considerando un valore finale di luminosità superiore (“ultimate”), le conclusioni in termini di potenzialità a lungo termine non cambiano. Da considerare che il danno da radiazione potrebbe essere il fattore limitante. Immagine tratta da: High Luminosity Large Hadron Collider, A description for the European Strategy Preparatory Group CERN-ATS-2012-236

obiettivo di HL-LHC The main objective of HL-LHC is to implement a hardware configuration and a set of beam parameters that will allow the LHC to reach the following targets: A peak luminosity of 5×1034 cm-2s-1 with levelling, allowing: An integrated luminosity of 250 fb-1 per year, enabling the goal of 3000 fb-1 twelve years after the upgrade. This luminosity is more than ten times the luminosity reach of the first 10 years of the LHC lifetime. allow design for lower peak L, less pile up less peak heat deposition (a factor 2 may be critical especially in the quadrupole triplet) hardware commissioning to be completed by 2022-2023

upgrade issues the assessment of what are the LHC bottlenecks is critical collimation e-clouds Beam tune shift due to collision R2E limitation Heat deposition and cryogenic limits Changing the machine to reach potentially 1035 and then levelling at 5 1034 requires: High field magnets SC crab cavities Extreme collimation in the collision points (and cleaning DS from off-p particle) SC links to remove problem of R2E to power supply Each item liste above will have a back-up plan in case it will NOT be available in due time.

upgrade di LHC: quadro dei progetti Gli studi e gli interessi del CERN e della comunità scientifica di riferimento si stanno articolando attorno a diversi progetti: HL – LHC (High Luminosity – LHC ) è il progetto interno del CERN per l’upgrade di luminosità di LHC. HiLumi è il Collaborative Project approvato dalla UE nell’ambito del 7° Programma Quadro (Capacities-Research Infrastructure). E’ iniziato nel novembre 2011 e si concluderà nell’ottobre 2015. In questo momento è in corso di preparazione una ulteriore proposta da sottomettere nel 2011 alla UE, denominata provvisioriamente HE (High Energy), avente come scopo l’analisi delle scelte tecnologiche di base per un upgrade in energia di LHC.

gruppi già coinvolti in HiLumi Gruppi di ricerca dell’Ente attivi in diversi settori stanno partecipando a HiLumi: WP2 (beam dynamics) LNF Mikhail Zobov WP3 (magnets) INFN-Mi, LASA Giovanni Volpini WP6 (superconducting links) INFN-Mi, LASA Francesco Broggi L’impegno previsto, in termini di personale e risorse, è il seguente Nel suo complesso, la partecipazione italiana rappresenta la seconda dopo il CERN in termini di finanziamenti. AU finanziamento UE (al lordo dell’overhead) WP2 beam dynamics 5.6 326 k€ WP3 magnets 3.7 167 k€ WP6 sc links 1.8 74 k€ totale 11.1 567 k€

Giovanni Volpini, NTA, Roma 19 luglio 2011

EU Strategy Group update: full HiLumi priority! High-priority large-scale scientific activities After careful analysis of many possible large-scale scientific activities requiring significant resources, sizeable collaborations and sustained commitment, the following four activities have been identified as carrying the highest priority. c) The discovery of the Higgs boson is the start of a major programme of work to measure this particle’s properties with the highest possible precision for testing the validity of the Standard Model and to search for further new physics at the energy frontier. The LHC is in a unique position to pursue this programme. Europe’s top priority should be the exploitation of the full potential of the LHC, including the high-luminosity upgrade of the machine and detectors with a view to collecting ten times more data than in the initial design, by around 2030. This upgrade programme will also provide further exciting opportunities for the study of flavour physics and the quark-gluon plasma. Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

d) To stay at the forefront of particle physics, Europe needs to be in a position to propose an ambitious post-LHC accelerator project at CERN by the time of the next Strategy update, when physics results from the LHC running at 14 TeV will be available. CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context, with emphasis on proton-proton and electronpositron high-energy frontier machines. These design studies should be coupled to a vigorous accelerator R&D programme, including high-field magnets and high-gradient accelerating structures, in collaboration with national institutes, laboratories and universities worldwide. e) There is a strong scientific case for an electron-positron collider, complementary to the LHC, that can study the properties of the Higgs boson and other particles with unprecedented precision and whose energy can be upgraded. The Technical Design Report of the International Linear Collider (ILC) has been completed, with large European participation. The initiative from the Japanese particle physics community to host the ILC in Japan is most welcome, and European groups are eager to participate. Europe looks forward to a proposal from Japan to discuss a possible participation. f) Rapid progress in neutrino oscillation physics, with significant European involvement, has established a strong scientific case for a long-baseline neutrino programme exploring CP violation and the mass hierarchy in the neutrino sector. CERN should develop a neutrino programme to pave the way for a substantial European role in future long-baseline experiments. Europe should explore the possibility of major participation in leading neutrino projects in the US and Japan.

next steps In March CERN Council has endorsed the ESG update, with a few minor modifications The document will be finally approved in a special session of the CERN Council to be held in Bruxelles on 29-30 May. CERN is prepearing a consequent MTP with full funding of HL-LHC where USA (and JP) in-kind are «accounted». This shows that USA contribution is essential, both intellectually and as resources One day event (maybe in the HiLumi CM of Daresbury 11-15 Nov) to launch the project with Experiments. Adapted from Lucio Rossi’s talk at HiLumi meeting in Napa, CA (USA) April 2013

2 descrizione della proposta Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013 Obiettivi - progettazione - costruzione - collaudo criogenico di cinque magneti superconduttori superferrici: quadrupolo per la correzione della componente skew, sestupolo, ottupolo, decapolo e dodecapolo. Questa proposta non comprende la realizzazione della serie, composta da un totale di 48 magneti delle varie tipologie. Va tuttavia pensata in funzione della serie, indipendentemente da chi se ne farà carico. Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

Attori & Ruoli I CERN Definisce le caratteristiche dei magneti: elettromagnetiche, geometriche, di interfaccia, e la compatibilità con la macchina del progetto sviluppato; certifica la compatibilità al progetto (radiation resistence, cryogenic compatibility) dei materiali utilizzati. Collabora alla parte di progettazione elettromagnetica e meccanica. CIEMAT Magneti superferrici dalle caratteristiche analoghe, ma di minor diametro utile interno, sono stati sviluppati dal CIEMAT, nell’ambito di una passata collaborazione per l’Upgrade Phase-I. Al momento attuale il CIEMAT non ha le risorse per proseguire nello sviluppo. Vorrebbe mantenere l’accesso al know-how che verrà sviluppato, mettendo a disposizione quello da loro sviluppato

(possibili) Partner Industriali Attori & Ruoli II LASA Il progetto si svolge essenzialmente presso il laboratorio LASA dove vengono svolte le seguenti attività: progettazione elettromagnetica, meccanica ed esecutiva; acquisto dei materiali; affidamento della realizzazione delle varie componenti a ditte esterne assemblaggio dei magneti; collaudo criogenico misure di campo: questa responsabilità è da definire. (possibili) Partner Industriali Columbus Superconductors (Genova) Interesse per lo sviluppo e costruzione di un nastro in MgB2 ottimizzato per questo progetto (discussioni tecniche in corso) ASG (Genova) Potenziale interesse per la serie, possibile coinvolgimento in alcune operazioni relative ai prototipi (contatti preliminari) Luvata (Pori, Finlandia) Partner storico per lo sviluppo di filo superconduttore, interessato alla produzione del filo in NbTi (discussioni tecniche in corso) Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

accordo di collaborazione Definire i termini di un accordo di collaborazione fra le parti, se non gestibile già all’interno di HiLumi Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

Parametri fondamentali dei magneti Order Bore Ext radius Length Mass Stored energy Inductance Current [mm] [kg] [kJ] [H] [A] 4-pole 150 230 800 920 30 2.7 6-pole 140 45 1.2 0.11 8-pole 0.7 0.06 10-pole 51 0.6 0.05 12-pole 500 190 2.6 0.24 Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

il superconduttore Il progetto di riferimento utilizza un filo in NbTi, tecnologia pienamente matura. In alternativa, stiamo considerando la fattibilità dell’impiego di MgB2, garantendo così margini di temperatura superiori, utili in un ambiente sottoposto a un elevato carico termico generato dalla radiazione proveniente dal punto di interazione. (Tc: NbTi 9.2 K, MgB2 39 K). L’impiego di MgB2 costituirebbe un aspetto qualificante sia per la novità tecnologica, sia per le ricadute industriali (l’italiana Columbus Superconductors è una delle due o tre ditte in grado di realizzare un simile materiale a livello mondiale), e darebbe seguito ai risultati del progetto Marimbo (INFN, GrV, 2005-2007) che aveva permesso la costruzione e il collaudo con pieno successo di un dimostratore di dipolo superferrico in MgB2.

Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013 Nastro MgB2 Fra i problemi da affrontare per l’applicazione del MgB2 : -elevato raggio minimo di curvatura (>60 mm); -densità di corrente ancora relativamente basse, confrontate al NbTi; -tecniche di realizzazione delle connessione elettriche all’interno delle bobine e fra di esse. Material Area (mm2) %   MgB2 0,36 24,1 Ni 1.14 75,9 Total 1,5 100 Dimension 3,0 x 0,5 Copper  0.6 3.0 x 0.2 La soluzione in NbTi è comunque considerata la soluzione di riferimento, in grado di soddisfare pienamente gli obiettivi del progetto. Cortesia Columbus Supercondutors Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

Prototipo di ottupolo superferrico realizzato dal CIEMAT (ES)

Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013 Design preliminare del 4-polo (LASA) 460 800 Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

Previsione dei costi & persone coinvolte E’ previsto il coinvolgimento di due ricercatori e di cinque tecnici progettisti ed elettronici, oltre al supporto dell’officina meccanica, servizio elettronica e della criogenia.

Piano temporale

Obiettivi a breve termine In questo momento vengono congelate in HL-LHC le scelte generali per quanto riguarda l’ottica delle regioni di interazione ad alta luminosità: il nostro interesse va quindi formalizzato opportunamente; l’approvvigionamento del cavo superconduttore ha tempi particolarmente lunghi, e sarebbe importante anticiparlo quanto possibile; fare partire da subito attività preliminari fra cui: definizione delle caratteristiche generali, identificazione di alcuni fornitori, qualifiche di materiali. and, last but not least: trovare un nome decente per l’esperimento! CORRAL MACOR ecc. ecc. Giovanni Volpini, Gr V, Roma 3 maggio 2013

grazie per l’attenzione!

trasparenze di riserva

Time Line LS1: “Nominal” (2013-2014) Complete repairs of the superconducting joint and pressure relief problems which cause “the incident” in 2008 and currently limit the energy to 4+4 TeV. some issues may limit the beam energy to somewhere between 6.5 and 7 TeV per beam. At least 1x1034 cm-2s-1 peak luminosity LS2: “Ultimate” (2017) injector and collimation upgrades At least 2x1034 cm-2s-1 peak luminosity LS3: “HL-LHC” (~2022-2023) Lower b* and compensate for crossing angle to maximize luminosity 5x1034 cm-2s-1 leveled luminosity

Structure of the project HL-LHC and the HiLumi FP7 Design Study 29

Budget FP7 HiLumi 50% N.1/67 Score 15/15 4.9 M€ CERN waives all technical works: LHC is core program. Only kept the CERN cost for managem. Only EU research area Waiving effect N.1/67 Score 15/15 4.9 M€ 50% 85% of CERN gen. mngt 31