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Alessandro Variola SFP 2009, Roscoff- France Tests Crab Waist & SuperB A.Variola SFR JA 09 Roscoff, France, Octobre 2009

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Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France

Tests Crab Waist& SuperB

A.Variola SFR JA 09

Roscoff, France, Octobre 2009

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• 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

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• 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

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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

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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

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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

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• Schéma: Permet des très petites et il évite les résonances

• Le nouveau schéma a été testé sur DAFNE

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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

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• 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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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• Extension des tests DAFNE à la machine SuperB

• TEST on the beam-beam effect codes• 1) weak-strong ok• 2) strong-strong ok

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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

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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…..

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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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Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France

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

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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

Page 34: Alessandro Variola SFP 2009, Roscoff-France Tests Crab Waist & SuperB A.Variola SFR JA 09 Roscoff, France, Octobre 2009.

Alessandro VariolaSFP 2009, Roscoff-France

And so……………………