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Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Tests Crab Waist& SuperB
A.Variola SFR JA 09
Roscoff, France, Octobre 2009
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
• Cas de physique: la nouvelle usine a b doit avoir une luminosité 100 fois plus grande de PEP et KEKB!!!!!! :1) on y va avec les gros moyens (et difficultés…) : 10 A, focalisation forte, crab cavity….
• 2) On trouve une astuce….
Donc, qui sont les grands ennemis de la luminosité au point d’interaction (IP)?
- Effet sablier (Hourglass) => T>z [Taille]- Disruption (pinch effect) [frep]- Collision parasite [emittance/tune]- Avec angle de collision => Couplage, beta-beta /
beta synchro [emittance/tune]
z
Overlap area @ IP
y*
y
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
• Grand angle de Piwinski
• Transformation “Crab Waist”
• Petite surface d’intersection• Emittances très réduites• Très petit l’IP• Un encore plus petitc'est
possible• Pas d’interaction parasites• Pas de résonances x-z!!!!!!!!
Principe : focalisation plus forte à l’ IP + grand angle de Piwinski (LPA)[ ] +
deux sextupoles/anneau pour “twister” le waist du faisceau au point d’interaction (CW)
Astuce:Une nouvelle idée pour la collision (LPA &
CW) P.Raimondi, 2° SuperB Workshop, March 2006
)2
(
tg
x
z
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Le Schéma Crab waist )
2(
1
12
2
tg
NfDL
x
z
yx
r
yx
zN
D
1)Un seul passage : haute valeur D (disruption) par les effet faisceau-faisceau (pinch) = petits x,y
2)Le faisceau a réutiliser dans un anneaux de stockage pour maximiser frep «petit» D
Échanger x avec z avec l’angle de croisement
Ce schéma permet de travailler avec un bêta très petit
Mais : il introduit résonances B(x)-B(y) et S(z)-B(x,y) (fort couplage des coordonnées).
«Crab Waist pensaci tu…»(«Fais quelque chose pour moi…»)
Pour une luminosité plus élevée
zde y hourglasseffet l'
3)Pour réduire D en même temps que x,y il faut également un petit z
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Petite surface de collision : x/
• Mais l’angle introduit des résonances !!!!• C’est comme avoir un Qpole focalisant dans les deux plans,
avec un tilt x/z….
• CRAB WAIST :Le waist vertical doit être une fonction de x: sextupole in phase
avec le IP in X et a /2 in Y ( il porte aussi une petite augmentation de la luminosité )
WEAK-STRONG
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Cas typique (KEKB, DANE):
1. faible angle de Piwinski < 1
2. y comparable à z
Avec Crab Waist :
1. grand angle de Piwinski >> 1
2. y comparable à x/
Luminosité beaucoup plus élevée!
D.Shatilov’s (BINP), ICFA08 Workshop
Suppression x-y résonance in LPA&CW
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
• Schéma: Permet des très petites et il évite les résonances
• Le nouveau schéma a été testé sur DAFNE
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Tests DAFNE
1. Respecte l’échéancier de DANE (clôture pour l’installation de SIDDHARTA à la mi-2007)
2. Satisfait aux nouveaux programmes de physique (SIDDHARTA, KLOE2, FINUDA...)
3. Petites modifications nécessaires
4. Coûts relativement bas (1 mln euro)
1. Pas de champ solenoidal du detecteur
2. Pas d’aimants séparateurs
3. Pas de bobines de compensation
4. Pas de collisions parasites
5. Faible impedance (IR simple, nouveaux soufflets, nouveaux kickers d’injection)
pour la dynamique du faisceau
pour les programmesde physique
Cerise sur le gâteau
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DANE(KLOE run)
DANE Upgrade
Ibunch (mA) 13 13
Nbunch 110 110
y* (cm) 1.8 0.85
x* (cm) 160 26
y* (m) 5.4 low curr
3.1
x* (m) 700 260
z (mm) 25 20
Horizontal tune shift
0.04 0.008
Vertical tune shift 0.04 0.055
cross (mrad) (half) 12.5 25
Piwinski 0.45 2.0
L (cm-2s-1) 1.5x1032 5x1032
DANE (KLOE run)
DANE Upgrade
PROFILES FAISCEAU @IP ET NOUVEAUX PARAMETRES
Une luminosité 3 fois plus grande obtenue avec un faisceau plus petit dans la dimension verticale
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New Experimental Interaction Region
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
• Aluminium •Epaisseur fenêtre 0,3 mm
IP
5.5cm
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Le Crab Waist marche :
premières preuves expérimentales
Taille du faisceau Crab offCrab On
Deux detecteurs de lumi Crab offCrab on
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Lum
inosi
té [
10
28 c
m-2 s
-1]
y=18mm, Pw_angle=0.6
y=9mm, Pw_angle=1.9
y=25mm, Pw_angle=0.3
Rien que LPA donne plus de luminosité
Données moyennes sur une journée entière
Résultats de luminosité
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Lum
inosi
té n
orm
alis
ée [
10
28 c
m-2
s-1]
y=18mm, Pw_angle=0.6
y=9mm, Pw_angle=1.9
y=25mm, Pw_angle=0.3
Mêmes dimensions du faisceau et luminosité normalisée à faible courant avec et sans Crab Sextupoles
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
0
1 1032
2 1032
3 1032
4 1032
5 1032
0
1 1028
2 1028
3 1028
4 1028
5 1028
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
L March 15th 2009
L March 13 th 2009
Lspecific
March 15th 2009
Lspecific
March 13th 2009
Lum
inos
ity
[cm
-2 s
-1]
Single B
unch Specific Lum
inosity [cm-2 s
-1 mA
-2]
I+ * I
- [A
2]
y(max)=0.042
Les deux meilleurs résultats
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
0
1 1032
2 1032
3 1032
4 1032
5 1032
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
L CW sextpoles OFF Feb. 9 th 2009L March 15 th 2009L March 13 th 2009
Lum
inos
ity
[cm
-2 s
-1]
I+ * I- [A2]
0
1 1028
2 1028
3 1028
4 1028
5 1028
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Lspecific
CW Sextupoles OFF Feb. 9th 2009
Lspecific
March 15th 2009
Lspecific
March 13th 2009
Sin
gle
Bun
ch S
peci
fic L
umin
osity
[cm
-2 s
-1 m
A-2
]
I+ * I- [A2]
Luminosité normalisée avecou sans Crab
Luminosité normalisée avec ou
sans Crab
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
1978
198
1.31E+32
Jan. 9th 2009
487 472
1.01E+32
Jan. 19th 2009Courants faibles
y ~ 0.020
Courants asymétriquesy ~ 0.0626
Luminosité en régime weak-weak et weak-strong
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• Le schéma a été démontré et est prêt pour une nouvelle machine à haute luminosité.
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Caractéristiquesprincipales de SuperB
• Objectif : maximiser la luminosité tout en gardant une faible consommation de puissance
• Design avec 2 anneaux (4x7 GeV): flexible• Optique -> ultra low emittance: 7x4 pm vertical emittance• Courants des faisceaux: comparable aux usines actuellesCourants des faisceaux: comparable aux usines actuelles • Projet LPA & CW scheme utilisé pour maximiser la
luminosité et minimiser l’augmentation de la taille du faisceau
• Pas d’utilisation d’onduleurs (réduction de la consommation d’énergie)
• Design basé sur le recyclage du hardware PEP-II (réduction des coûts)
• Polarisation longitudinale pour e- dans le HER (sans precedents)
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Comparaison entre SuperB et Super-KEKB
ParamètreUnité
sSuperB Super-KEKB
Energie GeV 4x7 3.5x8
Luminosité1036/ cm2/s
1.0 to 2.0 0.5 to 0.8
Courants faisceaux
A 1.9x1.9 9.4x4.1
y* mm 0.22 3.
x* cm 3.5x2.0 20.
angle de croisement
mrad 48. 30. to 0.
Puissance RF (AC line)
MW 20 to 25 80 to 90
Tune shifts
(x/y) 0.0004/0.2 0.27/0.3
Une luminosité 100 fois plus élevée obtenue seulement avec un faisceau plus petit en vertical
Super-KEKB
SuperB
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
LER/HER Unit Juin 2008 Jan. 2009 Mars 2009 Version LNF
E+/E- GeV 4/7 4/7 4/7 4/7
L cm-2 s-1 1x1036 1x1036 1x1036 1x1036
I+/I- Amp 1.85 /1.85 2.00/2.00 2.80/2.80 2.70/2.70
Npart x1010 5.55 /5.55 6/6 4.37/4.37 4.53/4.53
Nbun 1250 1250 2400 1740
Ibunch mA 1.48 1.6 1.17 1.6
mrad 25 30 30 30
x* mm 35/20 35/20 35/20 35/20
y* mm 0.22 /0.39 0.21 /0.37 0.21 /0.37 0.21 /0.37
x nm 2.8/1.6 2.8/1.6 2.8/1.6 2.8/1.6
y pm 7/4 7/4 7/4 7/4
x m 9.9/5.7 9.9/5.7 9.9/5.7 9.9/5.7
y nm 39/39 38/38 38/38 38/38
z mm 5/5 5/5 5/5 5/5
x X tune shift 0.007/0.0020.005/0.001
70.004/0.00
130.004/0.0013
y Y tune shift 0.14 /0.14 0.125/0.1260.091/0.09
20.094/0.095
Stations RF LER/HER 5/6 5/6 5/8 6/9
Puissance RF MW 16.2 18 25.5 30.
Circonférence m 1800 1800 1800 1400
Flexibilité des paramètres de SuperB
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
• Extension des tests DAFNE à la machine SuperB
• TEST on the beam-beam effect codes• 1) weak-strong ok• 2) strong-strong ok
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-FranceK. Ohmi
Simulations faisceau-faisceau strong-strong => Check Dafne positif !!!!!!
Une luminosité de 1036 peut être atteinte
Code modifié strong-strong (beaucoup plus rapide):
PIC dans la zone de recouvrement des faisceaux
gaussian aux limites
June ’08 lattice
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SPARX-I Linac SuperB
SPARX-II
Det. HallAnneauxSuperB
C = 1.8 km
Choix du site de SuperB siteS. Tomassini
C = 1.4 kmDet. HallInjecteu
r
Campus de l’université de Tor Vergata :- zone verte- synergies avec le projet SPARX-FEL
Laboratoires nationaux de Frascati :- infrastructures- synergies avec le projet SPARX-FEL toujours possibles
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Conclusions
• Le test sur DANE ont montré que le programme LPA&CW marche !
• Le simulations weak-strong et strong-strong confirment l’expérience DAFNE => extension à SuperB
• L’optimisation des paramètres deSuperB (environ 1 x 1036 cm-2 s-1) est en cours
• Mini-MAC a approuvé le design de la machine: «Maintenant Mini-MAC encourage de manière enthousiaste l’équipe chargée du design de SuperB à procéder à la phase TDR et il est confiant que le paramètres du design pourront être atteints.» (avril 2009)
• La phase planning pour la remise du Technical Design Report avant fin 2010 a débutée
• Gouvernement italien => 15 MEuros pour la phase TDR• Machine polarisée• Forte corrélation avec LC• PROJET TRES INTERESSANT qui réuni tous les défis de la physique
des accélérateurs et toutes les nouvelles idées…..
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
Nouveau design IRLER
HER
DC
B0
B0
B0
B0
QF1
QD0
300 mrad
200 mrad
QF10
100
200
300
-100
-200
-3000 2.5 5 7.5-2.55-7.5 meters
mm
BaBar foreward door
M. Sullivan Feb. 12, 2009 SB_IT_ILC_P4_SR_7_5M
M. Sullivan
• Nouveau design QD0• QD0 & QF1 sont SC et partagent le même cryostat• Des bobines de compensation ont été incluses
0 1 2 3-1-2-3
0
100
200
-100
-200
mm
meters
QF1
QD0 QD0
QF1
solenoidssolenoids
old support tube BaBar forward door
HER LER
M. Sullivan Feb.13, 2009 SB_IT_ILC_P4_SR_3M
PM QD0
300 mrad
200 mrad
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M. E. Biagini, M. Boscolo, A. Drago, S. Guiducci, M. Preger, P. Raimondi, S. Tomassini, C. Vaccarezza, M. Zobov (INFN/LNF, Italy)K. Bertsche, Y. Cai, A. Fisher, S. Heifets, A. Novokhatski, M.T. Pivi, J. Seeman, M. Sullivan, U. Wienands, W. Wittmer (SLAC, US),T. Agoh, K. Ohmi, Y. Ohnishi (KEK, Japan), I.Koop, S. Nikitin, E. Levichev, P. Piminov, D. Shatilov (BINP, Russia)A. Wolski (Cockcroft, UK) M. Venturini (LBNL, US) S. Bettoni (CERN, Switzerland)A. Variola (LAL, France)E. Paoloni, G. Marchiori (Pisa University, Italy)
D. Alesini, M. E. Biagini, R. Boni, M. Boscolo, A. Clozza, T. Demma, A. Drago, M. Esposito, Gallo, S. Guiducci, V. Lollo, G. Mazzitelli, C. Milardi, L. Pellegrino, M. Preger, P. Raimondi, R. Ricci, C. Sanelli, G. Sensolini, M. Serio, F. Sgamma, A. Stecchi, A. Stella, S. Tomassini, C. Vaccarezza, M. Zobov (INFN/LNF, Italy)K. Bertsche, A. Brachmann, Y. Cai, A. Chao, DeLira, M. Donald, A. Fisher, D. Kharakh, Krasnykh, N. Li, D. MacFarlane, Y. Nosochkov, A. Novokhatski, M. Pivi, J. Seeman, M. Sullivan, U. Wienands, J. Weisend, W. Wittmer, G. Yocky (SLAC, US) A.Bogomiagkov, S. Karnaev, I. Koop, E. Levichev, S. Nikitin, I. Nikolaev, I. Okunev, P. Piminov, S. Siniatkin, D. Shatilov, V. Smaluk,P. Vobly (BINP, Russia) G. Bassi, A. Wolski (Cockroft Institute, UK)S. Bettoni, D. Quatraro (CERN, Switzerland) M. Baylac, J. Bonis, R. Chehab, J. DeConto, Gomez, A. Jaremie, G. Lemeur, B. Mercier, F. Poirier, C. Prevost, C. Rimbault, Tourres, F. Touze, A. Variola (CNRS, France) A. Chance, O. Napoly (CEA Saclay, France) F. Bosi, E. Paoloni (Pisa University, Italy)
TDR
CDR
SuperB Collaboration Team
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Backup slides
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HER with spin rotator• Introduced spin rotators on both
sides of IP in HER to provide longitudinal polarized electrons at IP and maintain the chromatic characteristic of the original design necessary for the crab waist scheme, band width and dynamic aperture
• Bends have opposite sign w.r.t. IP for spin transparency condition
W. Wittmer
New ringslayout
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Polarization in HER U. Wienands
Spin rotator with solenoids and bends
• Polarization of one beam is included– either energy beam could be polarized– LER less expensive, HER easier (HER
was chosen)• Longitudinal polarization times and short
beam lifetimes indicate a need to inject vertically polarized electrons– plan is to use SLC polarized e- gun
• There are several possible IP spin rotators:– solenoids look better (vertical bends
give unwanted vertical emittance growth)
Expected longitudinal polarization at IP ~ 85%(inj) x 95%(ring) = 80%(effective)
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SuperB Injector layout
L
G SHB
e- DR
40 msec
0.8 GeV 0.2 GeV
BC
2 GeV
PS
0.2 GeV
BP
CHICANE
BD
40 msec
e+ DR
K K
SR
0.8 GeV 0.2 GeV
BC
3 GeV
PD
D
PD
K K
D
PD
PD
m
PD
PD
PD
e-
e+
DG = Polarized electron gunL = LaserSHB = Sub-Harmonic BuncherPD = Pulsed DipoleD = DC DipoleK = Injection/Exctraction Kicker
BC = Bunch CompressorPS = Positron SourceBP = By-Pass LineBD = e- Beam Dumper
4 GeV
7 GeV
FLINAC = 2856 MHz
R. Boni
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Lmag
(m) 0.45 5.4
PEP HER - 194
PEP LER 194 -
SBF HER - 130
SBF LER 224 18
SBF Total 224 148
Needed 30 0
Dipoles
Lmag (m) 0.56
0.73 0.43 0.7 0.4
PEP HER 202 82 - - -
PEP LER - - 353 - -
SBF HER 165 108 - 2 2
SBF LER 88 108 165 2 2
SBF Total
253 216 165 4 4
Needed 51* 134 0 4 4
Quads
Available
Needed
All PEP-II magnets can be used, dimensions and fields are in range
RF requirements are met by the present PEP-II RF system
Lmag
(m) 0.25 0.5
PEP HER/LER 188 -
SBF Total 372 4
Needed 184 4
Sexts
Layout: PEP-II magnets reuse
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-FranceBoth have endorsed the project for Physics program and accelerator feasibility
• SuperB exploits new design approaches:– large Piwinski angle (LPA) scheme allowing for peak luminosity 1036 cm-2
s-1 well beyond the current state-of-the-art, without a significant increase in beam currents or shorter bunch lengths
– “crab waist” sextupoles used for suppression of dangerous resonances– low currents, with affordable operating costs and fewer detector backgrounds– polarized electron (positrons?) beam producing polarized leptons, opening
an entirely new realm of exploration in lepton flavor physics• A CDR was published in 2007, a TDR ready by end 2010• SuperB project scrutinized by International Review Committee (chair J. Dainton, 9
members), accelerator by a MiniMachine Advisory Committee (chair J. Dorfan, 10 members)
The SuperB acceleratorfor flavour physics
Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France
And so……………………