The Status of the LHC

Transkript

1 The Status f the Dr. Verena Kain, Engineer in Charge Operatins 1

2 7 TeV prtn-prtn cllider...mit einer Luminsität vn Vergleich: LEP: , Tevatrn: L = cm -2 s km Umfang: im ehemaligen LEP Tunnel : 27 km lng 100m undergrund ATLAS CMS +TOTEM ALICE 2

3 CERN Beschleunigerkmplex als Injektren The CERN acceleratr cmplex: injectrs and transfer Beam Beam TI2 2 SPS TI8 8 prtns LINAC Ins Bster CPS 1 LEIR Injektinsenergie in den : 450 GeV 12 Injektinen vm SPS pr Ring, um zu füllen 3

4 Wie funktiniert ein Beschleuniger? Geladene Teilchen werden in elektrischen Feldern beschleunigt Für eine Energie vn 7 TeV Spannung vn 7 TV durchlaufen Man schafft ca. 10 MV/m (supraleitende Kavitäten): erfrderliche Länge für Linearbeschleuniger: 350 km (20 MV/m) Kreisförmige Beschleuniger: ftmaliges Durchlaufen derselben Beschleunigerstrecke. Die geladenen Teilchen werden mit Magnetfeldern auf der Bahn gehalten, fkussiert und in Kllisin gebracht. Teilchenbahnkrrektur: Diplmagnet Strahlgrößekrrektur: Quadruplmagnet... Je höher die Energie der Teilchen, dest höher das benötigte Magnetfeld Synchrtrn 4

5 Beschleunigung mit Hchfrequenzfeldern Zylindrische Kavität. 400 MHz wie im zeitlich veränderliche Spannung Nach 1.25 ns E r (t) 2a z E(z) g E 0 z -E 0 : 2 Mdules per beam 4 Cavities per mdule 5

6 Beschleunigung mit Hchfrequenzfeldern Um beschleunigt zu werden muss die Phase des Feldes richtig sein. Zeitlich veränderliche Spannung: U() t := U 0 sin ( 2πf rf t + dt) Frequenz : f rf = 100 MHz Maximale Spannung: U 0 = V In einem HF Feld kann kein kntinuierlicher Strahl beschleunigt werden. TEILCHENPAKETE Spannung U(t) beschleunigt gebremst Zeit Teilchenpaket hat endliche Länge. Nicht alle Teilchen werden gleich beschleunigt. Phasenfkussierung. Frequenz des Feldes muss Vielfaches der Umlauffrequenz sein. Umlauffrequenz: ~ 11 khz, RF Frequenz: ~ 400 MHz 6

7 Magnetfelder - Überblick Strahllenkung: Diplfelder Fkussierung: Warum: Teilchen mit leicht unterschiedlichen Injektinsparametern separieren mit der Zeit. Beispiel: 10-6 rad Unterschied im Injektinswinkel Nach 10 6 m lngitudinal, Teilchen sind 1 m transversal vneinander entfernt. Im (Umfang 27 km): nach 50 Umdrehungen. (5 ms)!!! Fkussierung passiert mit Quadruplmagneten Kntrlle der Strahlgröße N B y = B y x x S Teilchen würden nach unten fallen: Gravitatin Andere Multiple: S N Sextuplmagneten zur Krrektur der Trajektrien vn ff-mmentum Teilchen Octuple, Decaple,...um Strahlinstabilitäten auszugleichen der Feldfehler zu krrigieren. 7

8 Ein bißchen Therie... 8

9 Auf dem Weg zur Bewegungsgleichung...!!...!! ) (...!! ) ( = = = z z 2 0 z 0 z0 0 z z z 2 z z0 z x 3 1 x m 2 1 x k R 1 x dx 3 d p e x dx 2 d p e x dx d p e p e x p e : sich damit Es ergibt multipliziert. p e und mit x dx 3 d x dx 2 d x dx d x : Das Magnetfeld wird um die Sllbahn entwickelt B B B B B B B B B B 9

10 Bewegungsgleichung Die Bewegungsgleichung in Beschleunigerkrdinaten ergibt sich mit F = m a Mit der relativist ischen Masse m = m γ ergibt sich : 0 2 d z(t) m γ = q v B (s) 0 2 x dt mit ds = dt v ergibt sich : 2 2 d z qb (s) qb (s) x x m γ v = q v B (s) => z''(s) = => z''(s) = 0 2 x ds m γ v p 0 Im Quadruplm agnet ist die Stärke des Magnetfeld s prprtin al zur Teilchenau slenkung : db (s) x B (s) = z(s) x dz e db (s) 0 x mit k(s) = ergibt sich die Bewegungsg leichung z''(s) k(s) z(s) p dz = 0 10

11 Lösung - Betafunktin Für Teilchen hne Impulsabweichung,und für Strecken hne Ablenkmagnet gilt die Differentialgleichung vm Hill' schen Typ : x''(s) k( s) x( s) = 0 Lösungsansatz : x(s) = A u(s) cs( ψ( s) + φ) mit Einsetzen flgt : A 2 [ u' ' uψ' k( s) u ] cs( ψ + φ) A [ 2u' ψ ' + uψ' ' ] sin( ψ + φ) = 0 Mit Einführung der 2 β(s): = u ( s) β -Funktin: und der Emittanz eines einzelnen Teilchens ε ergibt sich für die Teilchenbahn: i x(s) = ε i β(s) cs( ψ( s) + φ) Ausserdem gilt für die Betatrnphase: s ψ(s) = 0 1 dσ β( σ) 11

12 Transprtmatrizen und Orbitkrrektur General case fr a transfrmatin f particle crdinates frm s 0 t s 1 (with phase advance in between ψ) M := β 1 cs( ψ) α β ( + 0 sin ( ψ) ) 0 ( α 0 α 1 ) cs( ψ) 1 + α 0 α 1 β 1 β 0 ( ) sin ψ ( ) β 1 β 0 sin( ψ) β 0 cs( ψ) α β ( 1 sin ( ψ) ) 1 Orbitkrrektrmagnet: Winkel θ x r r = x r r θ Orbit-/Trajektrienkrrektur: messe x an Strahlpsitinsmnitren: finde R -1 θ = R -1 x Verschiedene Algrithmen: MICADO, SVD,... 12

13 Dispersin Andere wichtige Funktin der Strahlptik neben Betafunktin: Dispersin Wird erzeugt vn Diplmagneten 13 p p s 1 s x s 1 x''(s) : dann flgt 0 s 1 im Quadruple und daher Keine Ablenkung im Quadrupl, p p s 1 s x s k s 1 x''(s) 2 2 Δ ρ = ρ + ρ Δ ρ = ρ + ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( s 1 D s s 1 D''(s) s 1 s x s 1 x''(s) die Dispersinsbahn D(s): die Differentialgleichung für flgt damit 1 p p Lösungsansatz : 2 2 ρ ρ ρ ρ = + = + = Δ ) sin( ) cs( ) sin( ) '( )) cs( (1 ) sin( ) cs( ) ( ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ s s s s D s s s s D + + = + + = ' D D ' D D

14 Die Superlative: Magnetfeld Welches Magnetfeld braucht man, um die Prtnen auf einer Kreisbahn zu halten? Kreisbahnradius vrgegeben: LEP Tunnel Energie 7 TeV r F = e m v R 0 2 r r v B = e 0 v B B = e 0 p R Antwrt: 8.33 T Erdmagnetfeld: 50 ut = 50/ T Herkömmliche Elektrmagnete: maximum 2 T supraleitende Elektrmagnete für den 14

15 Supraleitende Magnete für den Supraleitende Kabel: Supraleiter Nibium-Titan Strand Cable Filament Daraus werden die Magnetspulen gewickelt. Die Arbeitstemperatur dieser Leiter: 1.9 K ~ - 271º C I I I Kühlflüssigkeit: supraflüssiges Helium B Magnete sind in He-Bad 15

16 (Fast) 27 km kälter als das Weltall Temperatures arund the ring. Pr Sektr: 3 Wchen cl-dwn, 3 Wchen warm-up 16

17 Prtn-Prtn Kllisinen im Unterschiedliche Felder für die beiden Strahlen Prtnen Antiprtnen B Ein Kreisbeschleuniger für zwei Stahlen mit gleichen Teilchen erfrdert Magnete entgegengesetzter Feldrichtung B Daher viele Cllider mit Prtnen / Antiprtnen und e+e- 17

18 supraleitender Dipl 18

19 Die Superlative Insgesamt haben wir ~ 8000 Magnete 7600 km supraleitendes Kabel ~ 1200 t 8.3 T entspricht A Bei 7 TeV sind 11 GJ Energie in den Magneten gespeichert. Preis der Maschine (hne Experimente und Cmputing): 5 Mrd. CHF Benötigte Leistung 180 MW Verbrauch ~ 700 GWh/yr (10 % vm Kantn Genf) 19

20 Erster Crydipl wurde am 7. März 2005 in den Tunnel hinabgelassen Hauptdipl: 35 t, 15 m lang. Insgesamt 1232 in der Maschine 20

21 Magnettransprt im Tunnel Bis zu 15 km wurden Magnete damit transprtiert Mit 3 km/h. 21

22 Dipl installiert im Tunnel 22

23 Die -Bögen Der ist in 8 Sektren eingeteilt. Ein Sektr befindet sich zwischen 2 Punkten. An den Punkten hat man GERADE STRECKEN Jeder Sektr kann unabhängig gepwert und gekühlt werden. Zwischen den geraden Strecken befinden sich die Bögen. ca. 3 km lang Die Bögen haben eine FODO-Struktur nett Fkussierung QF diple decaple QD sextuple QF magnets magnets magnets small sextuple crrectr magnets Cell - Length abut 110 m (schematic layut) 23

24 Gerade Strecken mit Experimenten Punkt 1, 2, 5 und 8 haben gerade Strecken dieser Art: Die beiden Strahlen werden in EINE Vakuumkammer geführt mit Rekmbinatinsdiplen, D1 und D2. Der Strahl wird fkussiert in den Interaktinspunkt (IP) mit den Tripletquadruplen. Kreuzungswinkel mit Hilfe vn Orbitkrrektrmagenten. Während der Injektin und Rampe sind die Strahlen auf Separatinsbeulen keine Kllisin. 24

25 Die Superlative: Strahl Eventrate = 10 9 Events pr Sekunde. Eventrate = Wirkungsquerschnitt der Prtnen (E) Luminsität Luminsität hängt ab vn Anzahl der Teilchenpakete und Anzahl der Teilchen pr Teilchenpaket ab Ausserdem Größe der Strahlen am Interaktinspunkt und Kreuzungswinkel Für die nminelle Eventrate braucht man 2808 Teilchenpakete mit je Prtnen Prtnen bewegen sich quasi mit Lichtgeschwindigkeit 2 N f n L = b 4 π σ σ x y Bei 7 TeV entspricht das 360 MJ gespeichert im Strahl 25

26 360 MJ entsprechen Britischer Flugzeugträger mit 12 Knten...der einem Aut (3200 kg) mit 1700 km/h Ein Strahl mit nur einem 1/400 der gespeicherten Energie bhrt Löcher in Metall 6 cm Experiment in der Injektinslinie des 25 cm 26

27 Der Zyklus 12 Injektinen vm SPS, um den zu füllen MB current Physics Beam dump Ramp dwn Preinjectin plateau Injectin 2000 Prepare Physics B [T] 0 Ramp -3000dwn Mins Pre-Injectin Plateau 15 Mins Injectin Ramp Squeeze Prepare Physics Physics 15 Mins 28 Mins 20 Mins 10 Mins 0-20 Hrs Time [s] Start ramp Im Vergleich dazu: SPS Strahl: Injektin + Beschleunigung + Extraktin = 20 s 0 27

28 Was passiert am Ende des Zyklus mit dem Strahl? Nach 10 Stunden Datennehmen ist die Luminsität nur mehr 1/3 ihres Anfangswertes. Dann aber nch immer zwischen 200 MJ 300 MJ im Strahl. Nur ein Element kann den Impakt des Strahles überleben: der BEAM DUMP Der Strahl wird drthin extahiert. Beam dump blck 8 m Beam dump blck: Graphitkern 28

29 - Rückblick 1982 : Erste Studien zu Prjekt 1989 : Start der LEP Operatin (Z-factry) 1994 : Genehmigung des s durch den CERN Cuncil 1996 : Endgültige Entscheidung für Bau des s 1996 : LEP Operatin bei 100 GeV (W-factry) 2000 : Ende der LEP Operatin 2002 : LEP aus dem Tunnel entfernt 2003 : Start der Installatin 2005 : Start des Hardware Cmmissinings 2008 : Erste Inbetriebnahme mit Strahl : START-UP 29

30 Üben für den 10. September Injektinstests 30

31 Injectin Tests #1 BEAM 1 8 th f August t 10 th f August Beam was stpped n mmentum cllimatrs (graphite and tungsten) in pint 3. Cllimatr Injectin test 1 31

32 Injectin Tests #1 BEAM 1 Used beam intensity f > prtns (still belw the PILOT INTENSITY) Reached pint 3 n FIRST SHOT withut any steering with crrectr magnets Picture f the first sht: Al 2 O 3 Screen at pint 3 First beam induced quench in diple magnet: quenchin Cause: large amplitude kick int magnet aperture Quench prtectin system detected vltage increase and fired quench heaters Fr the rest f the beam cmmissining the intensity was limited t The quench limit had been exactly predicted: Prject reprt 44 (1996) 32

33 Injectin Tests #1 BEAM 1 Optics and aperture measurements: Kick respnse measurement Crrectr and BPM plarity and calibratin Phase advance Dispersin (ff-mmentum beam frm the SPS) Aperture arc and injectin regin (fund misalignment f vacuum pump in injectin regin, was crrected afterwards) Dispersin errr clse t pint 3 was traced back t POLARITY ERROR IN ALL ODD QTL magnets in sectr

34 Injectin Test #1 Beam 1 34

35 Injectin Tests #2 BEAM 2 22 nd f August t 24 th f August Beam was stpped n betatrn cllimatrs (graphite and tungsten) in pint 7. Injectin test 2 35

36 Injectin Test # 2 Beam 2 Again...reached pint 7 n first sht Picture f the first sht: Al 2 O 3 Screen at pint 7 Tested INTERLEAVED INJECTIONS: RING 1/ RING 2 n request Cmplex timing/synchrnisatin system: injectin request acrss the whle CERN injectr chain 36

37 Injectin Test #2 Beam 2 Similar measurement prgram Aperture in injectin regin OK Kick respnse in arc OK Discvered dispersin mismatch frm transfer line TI 8 int the Large dispersin beating fr beam 2. Investigatin fr rigin f mismatch still nging. 37

38 Injectin Test #3 Beam 1/ Beam 2 5 th f September t 7 th f September Beam 2 dumped n the beam dump, beam 1 stpped at tertiary cllimatrs at CMS. Injectin test 3 38

39 Injectin Test #3 Beam 1/ Beam 2 Scenari: Inject & Dump First trial with static crrectr magnets, steering int the dump line Then switched n beam 2 dump kickers (MKDs)... Sequencing, arming f beam dump with beam permit lps...worked!! MKD kick and beam Beam n graphite screen in frnt f beam dump blck. 39

40 Injectin Test #3 Beam 1/ Beam 2 Dispersin in Sectr 23 QTL plarity issue slved 40

41 Injectin Test #3 Beam 1/ Beam 2 Discvered ptics prblem in pint 6 fr beam 2: Wrng plarity in Q6 Wrng settings in QTL11.R3B1, QTL8.R3B1, QTL10.R3B1 Kick respnse data fr beam 1 in sectr 34: Measured data in green with nminal mdel in pink Measured data in green with mdel including wrng settings in pink 41

42 10. September 2008 Start-up...und die Medien 42

43 Ziel: 1 x um den Ring Kleine Intensität: 1/ der nminellen Intensität 43

44 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 44

45 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 45

46 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 46

47 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 47

48 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 48

49 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 49

50 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 50

51 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 51

52 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 52

53 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 53

54 Nach 1 Tag: Stabiler Strahl, Lebensdauer vn Stunden!!! (Bei Injektinsenergie und sehr kleiner Intensität) Einfangen vm Teilchenpaket im elektrmagnetischen Feld der Kavitäten Clsed Orbit 54

55 19. September - Vrzeitige Winterpause für den Während eines Tests für 5 TeV Operatin ist eine Verbindung eines supraleitendes Kabels zwischen 2 Magneten aufgebrchen. 200 MJ in einem Punkt verlren Schmelzen des Kabels an der Stelle und Heliumverlust Start-up erst wieder nächstes Jahr 55

56 Erfindungsgeist der Physiker und Igenieure - Beispiel Prblem mit Plug-in mdules Verbindungsstück zwischen den Strahlvakuumkammern zwischen den Magneten Arc plug-in mdule bei Betriebstemperatur Raumtemperatur Wrng Right RF-Finger hatten zu grßen Winkel beim Wiederaufwärmen vn Sektr 78 ergab sich flgendes Prblem: da passt kein Strahl durch. 56

57 Erfindungsgeist der Physiker und Igenieure - Beispiel Plug-in mdule -Prblem einfach zu reparieren wie detektieren? Lösung: Ping-png Ball durch Sektr Blasen. Strahlpsitinsmnitre können 40 MHz Signale auflösen. Ping-png Ball, der 40 MHz Signal emittiert. Damit wurden 16 prblematische PIMs entdeckt (9 davn unerwartet). 28 PIMs wurden ausgetauscht. Und auch für das Prblem vm 19. September werden wir eine ähnlich geniale Lösung finden. 57

58 Schlusswrt Der ist eine extrem kmplexe Maschine mit Parametern am Rande des Machbaren......eines der aufregendsten Experimente der Geschichte der Menschheit......das die Welt der Physik (unseren Begriff der Wirklichkeit) völlig revlutinieren könnte. 58

59 DANKE FÜR MATERIAL VON... R. Schmidt, F. Brdery, M. Lamnt, CERN Outreach Pages, v.a. 59