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Les défis du LHC, le nouveau collisionneur de hadrons

au CERN J.-P. Koutchouk

CERN/Technologie d’accélérateur

seminaire SFEN04/11/23 2

1. L’essentiel du LHC2.2. Choix de conception et paramètresChoix de conception et paramètres3.3. Aspects de la dynamique des faisceauxAspects de la dynamique des faisceaux4.4. Aspects des solutions technologiquesAspects des solutions technologiques5.5. Etat de la mise en routeEtat de la mise en route6.6. ConclusionsConclusions


1.1- Introduction1.1- Introduction

Par son énergie et luminosité, le LHC va permettre d’accéder à un nouveau domaine de la physique, au delà du Modèle Standard (exposé précédent).

Du point de vue des sciences d’accélérateurs, le LHC est une combinaison unique de défis théoriques, conceptuels et technologiques, mobilisant le CERN ainsi que de nombreux laboratoires et industries dans le monde entier.

Le but de cet exposé est de donner une impression générale sur les défis et les réponses choisies pour réaliser ce collisionneur.

SppS

LEP1

HERA TeVatronLEP2ISR

LHC

1.E+30

1.E+31

1.E+32

1.E+33

1.E+34

1.E+35

10 100 1000 10000 100000

Center-of-mass energy [GeV]

Lu

min

osi

ty [

cm-2

.s-1

]1.2- Performance nominale1.2- Performance nominale


1.3 Emplacement (surface)1.3 Emplacement (surface)

1.4 Emplacement (profondeur)1.4 Emplacement (profondeur)


1.5 Structure du collisionneur1.5 Structure du collisionneur

1.6 Complexe d’injection1.6 Complexe d’injection


1.7 Principe d’opération1.7 Principe d’opération

1. Cyclage des aimants, injection et accumulation de 12 “faisceaux” dans chaque anneau du LHC. Les deux faisceaux sont séparés dans les sections communes (environ 30 minutes).

2. Accélération de 450 GeV à 7000 GeV (20 minutes)

3. Augmentation forte de la focalisation aux points de collisions (“beta squeeze”).

4. Mise en collision des faisceaux et prise de données pendant environ 8 à 10 heures.

5. Décharge des faisceaux sur les blocs absorbeurs.


1.1. L’essentiel du LHCL’essentiel du LHC2. Choix de conception et paramètres3.3. Aspects de la dynamique des faisceauxAspects de la dynamique des faisceaux4.4. Aspects des solutions technologiquesAspects des solutions technologiques5.5. Etat de la mise en routeEtat de la mise en route6.6. ConclusionsConclusions


2.1- Choix de conception2.1- Choix de conception

-Energie: dans le tunnel existant du LEP (27 km), elle est proportionnelle au champ de guidage. Ceci requiert la technologie des aimants supraconducteurs.

-Luminosité:

en présence de très nombreuses contraintes et limitations:en présence de très nombreuses contraintes et limitations:

2*

2

bpkN

FLComptage

! Maximiser énergie et ! Maximiser énergie et luminosité tout en maitrisant luminosité tout en maitrisant

les coûts!les coûts!


2.2- Termes de l’optimisation 2.2- Termes de l’optimisation

• Performance des supraconducteurs et “industriabilité”,• Tolérance des aimants aux pertes partielles de faisceaux,• Qualité de champ au 1/10000,• Limite faisceau-faisceau sur Np/σ*,

• Limite de stabilité collective (Np, kb),• Limite de charge thermique due aux faisceaux nominaux,• Risque de transition résistive et de dommage,• Limite de focalisation due aux aberrations optiques linéaires et non-linéaires,• Respect des limites d’ouverture des aimants,•…et beaucoup d’autres….dont bien évidemment les coûts.


2.3- Parametres optimises2.3- Parametres optimises

- Champ magnétique/Energie: 8.3 Tesla nominal à 1.9K, (9 Tesla maximum ): 14 TeV centre-de-masse, marge de température de 1.4 K, soit < 30 mJ/cm3 .- Luminosité de 1034 cm-2s-1 avec τ = 15 heures- Intensité: 1.15 1011 ppp × 2808 (25 ns spacing), 360 MJ par faisceau, avec amélioration des injecteurs, systèmes d’amortissement des instabilités collectives, chambre à vide à 2K doublée d’un écran à 10K, et un système très complet de collimation et de protection des composants de la machine.- Taille du faisceau: σ*= 16 μm et σmax= 1.5 mm, obtenu grâce à un triplet focalisant de 24 m et de 215 T/m et un système développé de correction d’aberration optique.-…


2.4a- Et aussi2.4a- Et aussi

- 2 anneaux combinés dans le même cryostat.

- 1232 dipoles de 15 m de long, 30 tonnes, à 1.9K.- 474 lentilles de focalisation supraconductices, 3 à 9m de long, à 1.9 K ou 4.5 K.- 7612 aimants de corrections du dipôle au 12-pôle.

- Ultra-vide sur 2×27km (10-13 bar), pompes, cryopompage et NEG.

- 1000 moniteurs de position de faisceau et beaucoup d’autres systèmes d’observation.


2.4b- Et aussi 2.4b- Et aussi

- Cryogénie: 47000 tonnes de composants maintenus à 1.9 K grâce à 120 tonnes d’hélium refroidi, 170 kW de pouvoir réfrigérant à 4.5 K + 1.9 K.

- Accélération RF par 2×8 cavités supraconductrices de 2 MV à 400 MHz.

- Faisceau de 360 MJ, (80 kg de TNT), dont les pertes sont controlées au 1/10000 par

- 120 collimateurs en 3 étages, 1000 détecteurs de pertes et un système de décharge ultra-rapide.-…


1.1. L’essentiel du LHCL’essentiel du LHC2.2. Choix de conception et paramètresChoix de conception et paramètres3. Aspects de la dynamique des faisceaux4.4. Aspects des solutions technologiquesAspects des solutions technologiques5.5. Etat de la mise en routeEtat de la mise en route6.6. ConclusionsConclusions


3.1- Les défis de la dynamique de 3.1- Les défis de la dynamique de faisceaufaisceau

Les défis particuliers au LHC sont liés aux non-linéarites d’ordres élevés:

• Stabilité des trajectoires à l’injection (maximum des erreurs de champ)• Effet disruptif de l’interaction faisceau-faisceau

La haute intensité de faisceau apporte aussi sa moisson de phénomènes:

• Instabilités collectives• Création d’un nuage d’électrons, …


3.2- La qualité de champ3.2- La qualité de champ

Par nature, les aimants supra-conducteurs ont une qualité de champ moindre. De grands efforts dans la conception, fabrication et suivi qualité des aimants ont permis des objectifs très ambitieux:


3.3- La dynamique perturbée3.3- La dynamique perturbée

Afin d’éviter une diffusion, il faut corriger les ordres supérieurs avec les milliers d’ aimants de correction (4 à 10 pôles), organisés souvent en familles.

Section espace des

phases {x, px}


3.4 L’effet disruptif de 3.4 L’effet disruptif de l’interaction faisceau-faisceaul’interaction faisceau-faisceau

Les collisions produisent la luminosité, mais aussi une forte perturbation de la dynamique, qui est la limite de performance du LHC: lorsque l’intensité est augmentée au delà d’un seuil assez bien défini, on observe des phénomènes variés dégradant ou empêchant la prise de données: c’est la limite faisceau-faisceau.Elle n’est que qualitativement comprise et d’une nature très complexe.

La conception du LHC est fondée sur l’experience du SpS et Tevatron avec une bonne marge de sécurité.

30 “long-range interactions” par IP, 120 au total

3.5 Schéma de croisement3.5 Schéma de croisement

L’angle est de 0.02 degré


3.6 L’effet disruptif de 3.6 L’effet disruptif de l’interaction faisceau-faisceaul’interaction faisceau-faisceau

Transition vers le chaos

• Cette dynamique est riche et complexe, et a été étudiée avec beaucoup de soin, au CERN et également en collaboration (US-LHC).

• L’instrumentation de faisceau a été prévue à la hauteur de cette complexité.

• Nous sommes donc optimistes.


3.7- Conclusion sur la dynamique 3.7- Conclusion sur la dynamique de faisceaude faisceau


1.1. L’essentiel du LHCL’essentiel du LHC2.2. Choix de conception et paramètresChoix de conception et paramètres3.3. Aspects de la dynamique des faisceauxAspects de la dynamique des faisceaux4. Aspects des solutions technologiques5.5. Etat de la mise en routeEtat de la mise en route6.6. ConclusionsConclusions

InnerCable

OuterCable

Number of strands 28 36

Strand diameter 1.065 mm 0.825 mm

Filament diameter 7 µm 6 µm

Number of filaments ~ 8900 ~ 6520

Cable width 15.1 mm 15.1 mm

Mid-thickness 1.900 mm 1.480 mm

Transposition length 115 mm 100 mm

Ratio Cu/Sc ≥ 1.6 ≥ 1.9

7000 km de câbles supraconducteurs Nb-Ti

4.1a- Le câble supraconducteur Nb-Ti4.1a- Le câble supraconducteur Nb-Ti

25 March 2003 26

4.1b- Le dipôle supraconducteur 2-en 14.1b- Le dipôle supraconducteur 2-en 1

Construction des masses froides:

Alstom-Jeumont,Ansaldo,

Babcock Noell N.

+ 3 tesla

4.1c- La motivation pour 1.9K4.1c- La motivation pour 1.9K

4.1d- La mise en cryostat4.1d- La mise en cryostat

25 March 2003Lucio Rossi - Superc. Mag.

29

6 superconducting bus bars 13 kA for B, QD, QF

quadrupole

20 superconducting bus bars 600 A for corrector

magnets (minimise dipole field harmonics)

42 sc bus bars 600 A for corrector magnets (chromaticity, tune, etc….)

+ 12 sc bus bars for 6 kA (special quadrupoles)

13 kA Protection diodeTo be connected:

• Beam tubes• Pipes for helium

• Cryostat• Thermal shields• Vacuum vessel

• Superconducting cables

4.1e- Le défi des interconnexions4.1e- Le défi des interconnexions

PhLDéfis et progrès du LHC

30

4.2a- Principe de refroidissement des 4.2a- Principe de refroidissement des aimants du LHC à l’He superfluideaimants du LHC à l’He superfluide

14 May 2008 L. Tavian – LHC Cryogenics 31

1.8 K refrigeration units(2.4 kW @ 1.8 K)

4.5 K Refrigerators(18 kW @ 4.5 K)

4.2b- Réfrigérateurs 4.2b- Réfrigérateurs

Photo gallery: Storage and distribution

14 May 2008 L. Tavian – LHC Cryogenics 32

GHe storage LN2 storage

Cryo-magnet Distribution line (QRL) Interconnection box

Vert

ical tr

an

sfe

r lin

e


33

Interception des charges thermiques

induites par le faisceau à 5-20 K (capillaires refroidis à l’hélium

supercritique)

Baffle de cryopompe protégeant la surface à 1,9 K du rayonnement

incident

Surface en dents de scie à faible réflectivité sur l’équateur pour réduire

le nuage d’électrons

4.3a- L’écran de faisceau4.3a- L’écran de faisceau

• FINAL EQUILIBRIUM

• PRIMARY DESORPTION => COVERAGE INCREASE=> SECONDARY DESORPTION=> PRESSURE=> GAS FLOW TO COLD BORE

– EQUILIBRIUM : PRIMARY DESORPTION ~ FLOW TO COLD BORE• PUMPING SURFACES MUST BE PROTECTED AGAINST ENERGETIC PARTICLE IMPACT

CO/CH4 300 eV

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17

COVERAGE (mol./cm2)

DE

SOR

PT

ION

YIE

LD

(m

ol./e

- )

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0ETA PHYS CO -300

ETA PHYS CH4 -300

4.3a- Le cryo-pompage au LHC4.3a- Le cryo-pompage au LHC


1.1. L’essentiel du LHCL’essentiel du LHC2.2. Choix de conception et paramètresChoix de conception et paramètres3.3. Aspects de la dynamique des faisceauxAspects de la dynamique des faisceaux4.4. Aspects des solutions technologiquesAspects des solutions technologiques5. Etat de la mise en route6.6. ConclusionsConclusions


36

• longueur de ligne testée ~ 2.5 km

• plus de 400 aimants

Points vérifiés:

• alignement

• géométrie

• optique

• polarités

• réglages de courant

• contrôle-commande

SC - 21May'08LHC Cryogenics - Status for ICC

Cool-down of LHC sectors

0

50

100

150

200

250

300

12-Nov-2007

10-Dec-2007

07-Jan-2008

04-Feb-2008

03-Mar-2008

31-Mar-2008

28-Apr-2008

26-May-2008

Tem

pera

ture

[K]

ARC56_MAGS_TTAVG.POSST ARC78_MAGS_TTAVG.POSST ARC81_MAGS_TTAVG.POSST ARC67_MAGS_TTAVG.POSST

ARC23_MAGS_TTAVG.POSST ARC34_MAGS_TTAVG.POSST ARC12_MAGS_TTAVG.POSST ARC45_MAGS_TTAVG.POSST

1 2 43 5Sectors cooling

Christmas and water maintenance shut-

down

Short in connection cryostats and repairs

2Sectors

< 2 K

1

6

3

Open Days

‘’7,8’’

Powering activities + Cooling sectors + Preparation for cool-down


6.1- Conclusions6.1- Conclusions

Le LHC est la machine la plus complexe construite au CERN, du point de vue de la technologie et, probablement, de la dynamique des faisceaux et des performances.

Avec bien sur des difficultés et surprises liées à cette grande complexité, le LHC arrive à quelques mois du démarrage, après validation de tous les sous-systèmes. Les tests d’intégration et de mise en froid se succèdent à cadence élevée, avec, en perspective, l’injection de faisceau cet été.

La “masse critique” d’un laboratoire européen et international aura été déterminante pour faire face à l’ampleur du projet et ainsi amener le centre de gravité de la physique fondamentale et de sa haute technologie en Europe. Mais ceci n’est pas la fin de l’histoire…


6.2 - Le potentiel de développement6.2 - Le potentiel de développement

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023time

21034

41034

61034

81034

11035

1.2 1035

1.4 1035

ytisonimulmc2 s

1 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023Evolution of peak luminosity with no upgrade yellow, Phase II green, Phase I II red

•LHC baseline

• SLHC

•LHC+ & SLHC

Multiplier par 10 la luminosité