Transcript 3a lhc mach
2012
Large Hadron Collider
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
1
LHC
CMS
LHCb
IP5
IP8
IP2
IP1
ALICE
ATLAS
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
2
2012
Nota bene [18/11/2012]
LHC è in questo momento in attività frenetica;
tutti i risultati sono “troppo recenti” e ancora non ben assimilati
non si adattano bene ad un corso universitario;
tutti, incluso il docente, sono più interessati ai risultati recenti che non alle
noiose previsioni montecarlo;
compromesso :
il corso si basa su studi ben capiti;
di tanto in tanto, qualche notizia recente, necessariamente “instabile”,
contrassegnata con il simbolo
2012
bibliografia : lavori recenti di ATLAS + CMS + presentazioni LHCC [tutto su WWW].
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
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Il collider pp LHC - sommario
stesso tunnel di LEP (2R=26.6 Km,
= 88.9 s);
collisioni pp 2 anelli magnetici
indipendenti ( SppS, Fermilab, LEP,
...);
magneti superconduttori :
>> |£BLEP| ELHC >> ELEP;
|£BLHC|
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atl
asPublic/LuminosityPublicResults#L
uminosity_versus_day
2012
(oppure l’equivalente CMS)
s = 8 TeV (2012), 7 TeV (2010-11),
0.90 TeV (2009), 14 TeV (progetto);
altre possibilità per LHC (Pb-Pb)
[anche ep];
non ora [complicato, richiede di
rimontare i magneti di LEP]
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• Atlas e CMS prendono dati
anche con Pb-Pb;
• esperimento dedicato : Alice
(non trattata qui)
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gli acceleratori del CERN
protoni per LHC :
Linac2 (0-50 MeV);
PSB
( 1.4 GeV);
PS
( 28 GeV);
SPS
( 450 GeV);
LHC
( 7 TeV).
ALICE
AD
LHC
ATLAS
SPS
LEAR
CMS
PSB
LINAC (p)
(Pb)
PS
neutrino
LHC-b
East Area
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LHC – parametri “nominali”
• |£pbeam|
= 7 TeV;
• lpacchettolong
|£Bdipolo|
= 8.33 T;
Rpacchettotrasv = 16.6 m;
• |£piniettore|
= 450 GeV;
• nppacchetto
1.15×1011;
incrocio
285 rad;
• E/Efascio
= 1.13×10-4;
• Eorbitabrem = 6.9 KeV;
tcollisioni
= 24.95 ns;
• torbita
= 88.9 s;
• “Liniziale”
= 1033cm-2s-1;
• npacchetti
= 2808;
Lnominale
= 1034cm-2s-1;
• Ifascio
= 0.584 A;
• inizio
= 2009.
= 7.55 cm;
“” : ulteriore discussione nelle prossime pagine.
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B1
B2
LHC - dipoli
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1000th Dipole Installed (sep 5, 2007)
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S. Myers ATLAS 6th October 2006
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luminosità
• L kfn1n2 f ( );
4 x y
x,y
• f() = funzione dell’angolo di
collisione : [f(0)=1, f()<1].
• sistema di riferimento :
z : linea di volo della particella ideale; p
x,y : deflessione dall’orbita ideale.
• mettiamoci nello spazio x, x’px/pz. Sia :
• x = · x · x’ = “emittanza trasversa”;
= “funzione di ampiezza”;
• x = x / x’
• analogamente y , y .
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z
p
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luminosità vs
• effetti dell’angolo di collisione ( 285 rad) :
L( ) L( 0)f ( )
L( 0)
L
1
2T
2
L( 0) 0.839.
NB La presenza di un
angolo di collisione 0 è
necessaria per tenere i
fasci ben separati a grande
distanza dai punti di
interazione (tenere piccoli
gli effetti “beam-beam”).
effetto trascurabile su s
p
p
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(2E, 0, -2psin(/2), 0)
(2E, 0, -E, 0)
s 2E(1-2/8)
s - E 2/4 0
|pT| E 2 GeV
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emittanza + ampiezza
• dal teorema di Liouville :
V(6-dim) = x· y· z· px· py· pz = costante;
= cost. (a meno di effetti stocastici, che la aumentano nel tempo);
è modificabile (quadrupoli) : piccola nelle zone di interazione (“lowbeta”, *), grande lontana dalle interazioni (“high-beta”).
• a LHC :
x y 0.5 ×
10-9
• x’px/pz
• x = · x · x’ ;
• x = x / x’ .
rad m;
*x *y 0.55 m;
• per confronto, a LEP (ricordare : elettroni brem) :
H (2045) × 10-9 rad m; V (0.251.0) × 10-9 rad m;
*H 1.50 m;
• al Collider del CERN :
p 9 × 10-9 rad m;
*H 0.60 m;
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*V 0.05 m;
pbar 5 × 10-9 rad m;
*V 0.15 m;
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analogia meccanica
• una pallina su una guida (forza elastica ~ x) :
x sin( z / 0 );
x ' x / z cos( z / 0 ).
Ed
Ed Wilson,
Wilson, An
An
intr.
to
part.
intr. to part.
acc.,
acc., p28
p28
x
2
• perché queste strane unità ? Dalle eq. precedenti :
x
2
x '
2
2
1
• per il teorema di Liouville, per un “fluido ideale di
palline”, il [iper-]volume dell’elliss[oid]e si mantiene
costante :
V cost
/
x’
z
x
pertanto, (= ampiezza) può cambiare da punto a punto [nell’ex. variando la forma
della guida], diminuendo la dispersione spaziale a vantaggio di quella angolare, o
viceversa; invece (= emittanza) misura la qualità del fascio, che (in assenza di forze
non conservative) si mantiene costante, sia durante l’accelerazione, sia al variare di .
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luminosità vs ,
• segue la definizione della luminosità usata dai fisici degli acceleratori :
1
2 R
1
k
n1n2
1
t
n
n
kfn1n2
t
n1n2
c
1 2
L
F ( )
F ( )
F ( )
F ( );
4π x y
4π x y
4π x y
4 x x y y
• ne segue [con approssimazioni, e.g. F()1] :
t
L
1
n1n2
4 x y
40 10 10
6
4 16 10
11
6
2
2
1.25 1038 m 2s 1 1.25 1034 cm 2s 1;
• vi saranno ~4×107 incroci/s, ciascuno di luminosità (23)×1026 cm-2s-1 =
(0.20.3) mb-1, con ~20 interazioni ciascuno.
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luminosità vs tempo
Effetti principali, parametrizzati dL=-Ldt/i :
collisioni
aumento dell’emittanza
gas residuo
...
coll 29h;
IBS 80h;
gas 100 h;
L(t) / L0
.75
.50
effetto globale sulla luminosità:
L(t ) L0 exp( t / );
1.00
= 1/ i 15h.
1
luminosità integrata LINT dopo un tempo T :
LINT (T ) dtL(t ) L0 1 exp( T / ).
.25
T
0
nuova iniezione + accelerazione dopo alcune
ore;
luminosità efficace max × 0.5.
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.00
0
5
10
15
20
t (h)
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luminosità efficace
“anno di LHC” = 6 mesi × 1/2 efficienza 105 × 2 × 102 × 0.5 107 s;
L = 1033 cm-2 s-1 Lint = 1040 cm-2 10 fb-1 (“anno a bassa luminosità”);
L = 1034 cm-2 s-1 Lint = 1041 cm-2 100 fb-1 (“anno ad alta luminosità”);
si prevede :
• “run tecnico” per controllare in funzionamento di macchina e rivelatori (L e
tempo ignoti [due mesi a 1031 ???]);
SCRITTO
TRE ANNI
• ~1 anno
di bassa luminosità;
FA, E SI VEDE
!!!
• evoluzione ad alta luminosità in ~ 3 anni;
”bassa luminosità” centrata su fisica a elevata (ex. W/Z, jet, b, Higgs a m
piccola, …);
”alta luminosità” per fisica a piccola (ex. Higgs a m alta o H, …);
nel capitolo sulla fisica, ci riferiremo a “bassa” ed “alta” luminosità.
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LHC operational cycle
PHYSICS
BEAM DUMP
9
14000
8
SQUEEZE
7
PREPARE
PHYSICS
RAMP DOWN
6
PHYSICS
5
PREINJECTION
PLATEAU
4
INJECTION
T0
Tinj
0
-3000
-2000
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-1000
0
Time [s]
1000
Ramp down
18 Mins
Pre-Injection Plateau
15 Mins
Injection
15 Mins
2
Ramp
Squeeze
28 Mins
5 Mins
Prepare Physics
Physics
10 Mins
10 - 20 Hrs
1
2000
S. Myers ATLAS 6th October 2006
B [T ]
M B c u rre n t
START RAMP
3
0
3000
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Il progetto LHC : tempi di realizzazione [storia]
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2010/2011 delivered vs recorded
2010
= 45.0/48.1 = 93.6 %
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2011
= 5.21/5.57 = 93.5 %
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LHC now on its own in terms of stored energy
RB
LHC Oct. ‘10
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New Rough Draft 10 year plan [CERN DG ai s.students]
Shutdown will
extend far into
2014
update of European HEP Roadmap
Shutdown
2017 or 2018
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Plan to continue
until around 2030
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2012-2013 parameters
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/LuminosityPublicResults#
Luminosity_versus_day
(oppure l’equivalente CMS)
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LHC
Fine - LHC
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