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1 LHC 加速器の概要 近藤敬比古 (KEK) (Version-0) 参考文献 : [Ref-1] LHC Design Report Volume I : The LHC Main Ring [Ref-2] 1

2 LHC 計画の歴史 (1) LHC 計画は 1994 年 12 月に承認された しかし米国 日本などの非加盟国からの資金協力が未定なので 2004 年までに E CM = 10TeV, 2008 年までに 14TeV の 2 段階で建設することとされた 日本による第 1 次建設協力発表 ( 加速器に 50 億円 ) ATLAS, CMS 実験の承認 インドの建設協力 ( 加速器に $12.5M) ロシアの建設協力 (67MCHF detector 込 ) カナダの建設協力 ( 加速器に Canadian$30M ) 日本の第 2 次建設協力 ( 加速器に 38.5 億円 ) LHC を 2005 年に一段階で 14TeV で建設する決定 2

3 LHC 計画の歴史 (2) アメリカ DOE+NSF による建設協力の決定 ( 加速器に $200M 測定器に $331M) 日本が第 3 次建設協力発表 ( 加速器に 50 億円 ) これで日本の加速器協力合計は 億円 LEP-II で 114GeV ヒッグス粒子の兆候が出る LEP 加速器の 11 年間にわたる運転を終了 LHC 建設コストの増加問題 External Review Committee(ERC) を設置する ERC 報告 LHC 加速器の完成を 2007 年に変更 3

4 トンネル周長 27km ( 参考 : 東京 JR 山手線の周長 34.5km) 4

5 LHC Tunnel 27 km ring used for e + e - LEP machine Cost : 2,952 MCHF MCHF = 3,281 MCHF (~3,000 億円 ) (machine) (exp. area) 5

6 LHC Goals s = 14 TeV (7 X Tevatron) search for new massive particles up to m ~ 5 TeV L = cm -2 s -1 (>100 X Tevatron) search for rare processes with small σ (N event = Lσ ) 6

7 pp interaction でのいろいろな生成断面積 L=10 34 cm -2 s -1 での rate Total rate: 10 9 Hz b quark: ~10 7 Hz W boson: 2000 Hz S/N ~10-10 >0.7TeV jet: 1 Hz 150GeV higgs: 0.3 Hz 7

8 LHC machine の基本設計 L=10 34 cm -2 s -1 : しかし pbar-p ではL=10 34 は達成不可能 ppでは2リングが必要だがlepトンネルは狭すぎる クライオスタットの中に2マグネットを入れる (twin bore magnet) 最高エネルギーを目指すため磁場を出来るだけ高くする 加圧超流動ヘリウム冷却で 1.9K まで冷やし NbTi の超伝導線材を使って B(dipole)= 8.33 T を実現できた LEP トンネル内に出来るだけ多くの dipole マグネットを敷き詰めることにより E(beam) = 7 TeV を達成できる トンネル直径 = 3.8 m 8

9 34 cm How to reach cm -2 s -1? 簡単な計算方法 L 2 B f N 4πσ σ X Y π 6 ( 11) 10 ( 16μm) cm 2 s 1 f (collision frequency) 40 MHz (=1/25ns) N B (number of protons per bunch) σ x x σ y (beam cross sections at IP) 16 μm x 16 μm Number of interactions per collision n = Lxσ T (pp)/f~10 34 x 100mb /40MHz= 25 pp interactions 9

10 より正確な luminosity の計算 L (luminosity) = N 2 b n b 4π ε n f rev β γ r F N n f γ ε b rev r b n β : : : number of : : : number of revolution frequency = relativistic gamma factor l = 11253Hz normalized transverse beam emittance = 3.75μm rad beta particles per bunch = bunches function at IP = 2808 c ring = 0.55m m / s = 26659m = 7000 / = Insertion magnet の口径から来ている は ATLAS/CMS の IP での値 10

11 F : crossing angleによるgeometric luminosity reduction factor F = 1 θ 1+ cσ z 2σ 2 + = μrad 7.55cm μm 2 = は ATLAS/CMS の IP での値 σ z (RMS bunch length) = 7.55cm σ IP (transverse RMS size) = 16.7μm θ c (full crossing angle) = 285μrad 11

12 Luminosity の公式に ATLAS/CMS の IP の値を代入して L = = N 2 b n b 4π ε f rev n β 11 2 γ r F ( ) / s π 3.75μm 0.55m = m 2 s 1 = cm 2 s 1 計算値は に近くなるはずだが factor 違っている?? LHC での各種 interaction points High luminosity IP (ATLAS, CMS) : cm -2s-1 Low luminosity IP (LHCb) : cm -2 s -1 Low luminosity IP (TOTEM) : 2x10 29 cm -2 s -1 Heavy Ion Pb-Pb (ALICE) : cm -2 s -1 12

13 Luminosity の限界 nonlinear beam-beam interaction による tune shift ξ = N ここでr bunch 4π ε p r n p < / 3 = :classical proton radiusで3は IPの数 beam optics からの限界 N bunch ε < 3.75μm を入れて n < n p 0.015/ 3 = π ε / r = ( 設計書では N bunch <1.15x10 11 となっている ) 11 13

14 RUN 中の Luminosity の変化 14

15 Luminosity の積分値 Luminosity は pp interaction beam-beam interaction, beam-gas interaction によって次第に減少する = = τ L τ nuclear,1/e τ IBS τ rest-gas 29h 80h 100h 14. 9h τ L は luminosity lifetime Run あたりの積分 luminosity L RUN は L run ( / τ ) T RUN L = L τ e TRUN TINJ 0 L 1 1 年間の積分 luminosity は L tot = 200day 24 T + T RUN INJ L run L RUN L0=10 34, τ L =15h のとき L tot の最大値は T T INJ INJ = 1.2 hの場合 = 7 hの場合 T T RUN RUN = 5.5 h で = 12 h で T T tot tot = 120 fb = 80 fb 1 1 HERA の経験 15

16 ARC point 5 LHC 加速器の Layout 8 straight sections (~528m) point 4 point 6 Point 1: ATLAS, low β Point 2: ALICE beam injection point 3 point 7 Point 3: beam collimators Point 4: RF system Point 5: CMS, low β point 2 point 1 point 8 Point 6: beam dump Point 7: beam collimators dispersion suppressors Point 8: LHCb beam injection 16

17 14.3 m MR quad MR dipoles 194 mm ARC 部の 1 cell の構造 Lattice design v6.4, 23 cells/octant 17

18 Low-β interaction point の構造 single bore magnets double bore magnets Triplet Q absorber 188mm 22.97m ~70 m ビーム分離のためのダイポール ( 常温 ) Fermilab 製のinsertion quad(205t/m,1.9k, 5.5m) KEK 製のinsertion quad(205t/m,1.9k, 6.3m) 衝突点 (ATLAS では vertical 交差 CMS では horizontal 交差 ) 18

19 東芝京浜工場での coil winding KEK での 1.9K での励磁 磁場測定 日本で 18 台を製作終了した超伝導 Insertion Quad Fermilab に輸送され共通クライオスタットに組み込み中 19

20 シンクロトロン光放射 陽子加速器としては LHC が初めてシンクロトロン放射が問題になる加速器である 一般に半径 ρ で回る質量 m エネルギー E の粒子は 1 周で U 2αhc E 3ρ m m [ MeV ] = = = fm 2π kev ここではダイポールマグネットの曲率半径 ρ=2804m を代入した 1 リングあたりのシンクロトロン放射の全エネルギーは P SR = U0N N f = 6.7 kev / s 3900 W B p まとめ 450 GeV 7 TeV Total SR power/beam W 3886 W Arc 部でのenergy loss 0.22 W/m Energy loss per turn 0.11 ev 6.7 kev Photon critical energy 0.01 ev ev Longit. ε damping time 5.5 yr 12.9 h Transv. ε damping time 11 yr 26 h 11 クライオへの負荷 7 TeV では放射光はビーム冷却に役立つ! 20

21 Electron Cloud Effects ( 電子雲効果 ) LHC ではバンチ間隔が 25ns と狭いので ビームパイプ表面から出た電子が beam-induced multipacting 効果のために二次電子を作り出して 多くの電子がビームパイプの中に溜まってしまう現象 熱負荷やビーム不安定性を引き起こす KEK-B や PEP-II でも電子雲で加速器の性能が制限されている ビームバンチ 二次電子 一次電子 21

22 Electron Cloud Effects ( 電子雲効果 ) 2 SPS での実験結果 CERN-RRB pdf (Ph. Lebrun) よりコピー ビームバンチ内の陽子数 4 days ビームパイプ内の圧力 テスト結果 : ビーム開始直後には電子雲による圧力が急上昇するが 数日運転すれば電子雲効果は小さくなり p/bunch が可能になる 22

23 入射直後 入射直後 15 秒後 15 秒後 SPS での LHC 用ビームのエミッタンスの測定結果 (CERN-RRB pdf, Ph. Lebrun) 23

24 LHC 加速器の injector 群 24

25 LHC への TI8 入射ラインは完成しビーム輸送テストにも成功した 25

26 15.1 mm (both) strand 数 : 28(inner), 36(outer) Rutherford type Cable inner layer outer layer Strand inner, outer filament 数 : 8900, 6500 本 filament 径 : 7, 6 μm Cu/NiTi: 1.65, 1.95 Diameter: 1.065, mm bore 半径 28 mm mm Main Dipole (MB) の超伝導コイル部 26

27 超伝導ケーブルの納入状況 古河電気工業はこのケーブルの供給元の一つ cables delivered LHC Progress Dashboard を見れば加速器建設の現状がわかる 27

28 Winding machine 28

29 Main Dipole の磁場分布 29

30 cold mass 1.9K 570 φ thermal shield 50K 194 Main Dipole (MB) 断面図 30

31 31

32 超伝導ダイポールの生産 :3 社で 10 台 / 週のペース Babcock Noell Nuclear ( 独 ), Alstom ( 仏 ), Ansaldo ( 伊 ) Cold Mass 納入 Cold test 済 N u m b e r o f c r y o - d ip o le s Histogram of the number of quenches to reach 8.33 Tesla for the first 424 LHC dipoles cold tested not reached Number of quenches to reach 8.33 T 所定の磁場に到達するまでのクエンチ回数分布 32

33 圧力 He4 の状態図 He I 液体ヘリウム 1 気圧 He II 超流動状態 Heat Exchanger Tube の中を真空引きによって温度を下げ Tube の壁を通しての熱交換によって 1.9K,1 気圧の状態を実現するのがキーポイント 温度 (K) 1.8K,0.013bar HeII の熱伝導率特性は 1.9K が最大である 超伝導ケーブルの比熱は 4.5K の半分でよりクエンチし易くなる B F D C 液体 He 供給 (4.6K,3 bar) QRL(cryogenic distribution line) 1.9K,1 bar 33

34 QRL 超伝導マグネット 超流動ヘリウム冷却システム Heat exchanger tube 34

35 2004 年 6 月に Air Liquid 社が設置したが 真空リークやスライド板の割れが発生して全てやり直し Cryoline(QRL RL) ) のトラブル 2004 年 11 月に修理 改善プランが確定 追加コストは 40.6MCHF Installation of «validation cells» in sector

36 ビームパイプ内に設置される Beam Screen 36

37 LHC 加速器の主要パラメーターのまとめ 主リング周長 m 陽子ビームエネルギー ( 入射エネルギー ) 7.0 TeV (450 GeV) 最高ルミノシティ- (IP1, IP5) cm -2 s -1 バンチ間隔 25 nsec 40 MHz バンチ数 2808 /ring バンチ当りの陽子数 ビームエミッタンス (7 TeV) μ mrad 二口径双極電磁石 1232 台 双極電磁石長 磁場 14.3 m,8.33 Tesla 曲げ半径 m 回転周波数 khz RMSビームサイズ (IP1, IP5) 16.7 μm RMSバンチ長さ (IP1, IP5) 7.55 cm ビーム衝突角度 (IP1, IP5) ±142.5 μrad 交差平面 (ATLAS, CMS) 垂直 (ATLAS), 水平 (CMS) バンチ衝突当りの陽子衝突数 19 全ルミノシティ- 寿命 14.9 hour シンクロトロン放射損失エネルギー 3.6 kw / ring, 6.71 kev/turn 37

38 38

39 39

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