Εκπαίδευση Τεχνολογία Συνεργασία Έρευνα και Ανακάλυψη Καθ. Εμμανουήλ Τσεσμελής (CERN) Νοεμβρίου Αθήνα - 22 Νοεμβρίου 2010 Μελλοντικοί Επιταχυντές στο CERN

Μεγάλα και Αναπάντητα Ερωτήματα

Το Σύμπαν

Οι Διαστάσεις του (Μικρό-) κοσμου

Μέθοδοι της Σωματιδιακής Φυσικής

Εισαγωγή - Επιταχυντές Ιστορικά, η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων εξαρτάται από την πρόοδο στο σχεδιασμό των επιταχυντών για την προώθηση της επιστήμης. –κύκλοτρο  συγχροκύκλοτρο  σύγχροτρο  collider (κυκλικός, γραμμικός). collider (κυκλικός, γραμμικός). Η πρόοδος στο σχεδιασμό του επιταχυντή και των επιδόσεων απαιτούν αντίστοιχες επενδύσεις σε τεχνολογίες αιχμής. –Μαγνήτες, συστήματα κενού, RF συστήματα, διαγνωστική,... Το κόστος & η διάρκεια των έργων του επιταχυντή σήμερα είναι υψηλά. –Η διεθνής συνεργασία είναι απολύτος αναγκαία

Ενέργεια Συναρτήσει του Χρόνου Colliders – Ενέργεια Συναρτήσει του Χρόνου pp and e+e- colliders έχουν τεθεί σε λειτουργία ταυτόχρονα

Οι Εγκαταστάσεις του CERN

Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC 7 TeV p + 7 TeV Φωτεινότητα = cm -2 sec -1 Τα αποτελέσματα του LHC θα καθορίσουν το μέλλον της Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων

10 Χρειαζόμαστε Μεγάλους Ανιχνευτές T. Virdee, ICHEP μ 22 μ 7000 T (ίδια ποσότητα σιδήρου με τον πύργο του Eiffel)

Το Πείραμα ATLAS

12

Το Σωματίδιο Higgs στο LHC εκ.

CERN: Επιστημονική Στρατηγική Πλήρης αξιοποίηση της δυναμικής του προγράμματος φυσικής LHC –Αξιόπιστη λειτουργία (συμπεριλαμβανομένης της εδραίωσης του LINAC4) –Εξάλειψη εμποδίων ώστε να μεγιστοποιηθούν τα προνόμια από την ονομαστική φωτεινότητα (nominal luminosity) τόσο για τη μηχανή όσο και για τους ανιχνευτές –Εστιασμένη R&D και prototyping για υψηλή φωτεινότητα (High-Luminosity) LHC (HL-LHC) Προετοιμασία για το μακροπρόθεσμο μέλλον (>2015) –Ενεργειακά όρια Συνεργασία CLIC/ILC και R&D (για ανιχνευτές και μηχανή) Γενική R&D για Υψηλής Ενέργειας LHC (HE-LHC; δηλ. μαγνήτες υψηλού πεδίου) –R&D για μεγάλης ισχύος πηγές πρωτονίων (HP-SPL) π.χ. για φυσική νετρίνων Παγκόσμιας κλάσης πρόγραμμα φυσικής με σταθερούς στόχους (fixed-target)

Η Στρατηγική του LHC Πλήρης αξιοποίηση της δυναμικής του προγράμματος φυσικής LHC  Μεγιστοποίηση ολοκληρωμένης φωτεινότητας χρήσιμης για τη Φυσική - Λειτουργία του LHC μέχρι περίπου το έτος 2030, στόχος ∫Ldt ≈ 3000 fb -1 - Μεταξύ 2010 και 2020: ~σχεδιασμός φωτεινότητας (~10 34 /cm 2 /s) - Σύνδεση του LINAC4 το Εξάλειψη εμποδίων (e.g. SPS) - Τροποποιήσεις στους ανιχνευτές για βέλτιστη συλλογή δεδομένων - Υψηλή Φωτεινότητα LHC (HL-LHC) από ~2020 μέχρι ~ Φωτεινότητα περίπου 5x10 34 /cm 2 /s, Φωτεινότητα σε διάφορα επίπεδα - Νέα εσωτερική τριπλέτα (Inner Triplet) γύρω στο έτος 2020/21 - Αναβάθμιση ανιχνευτών περίπου το έτος 2020/21  R&D ΤΩΡΑ

Αναβάθμιση LHC Nέες μελέτες έχουν ξεκινήσει Στόχοι –Μεγιστοποιήση της ωφέλιμης ολοκληρωμένης φωτεινότητας κατά τη διάρκεια ζωής του LHC Στόχοι που έχουν τεθεί από τα πειράματα: 3000 fb -1 μέχρι το τέλος της ζωής του LHC → fb -1 ετησίως κατά τη δεύτερη δεκαετία λειτουργίας του LHC •Ελέγχος της συνοχή των αναβαθμίσεων σε σχέση με περιορισμούς επιδόσεων του επιταχυντή. •Ανάγκες από τα πειράματα. •Ανθρώπινο δυναμικό. •Προγραμματισμός τεχνικών διακοπών λειτουργείας, συμπεριλαμβανομένων και των ανιχνευτών.

PSB SP S SPS+ Linac4 (LP)SPL PS LHC / SLHC DLHC Output energy 160 MeV 1.4 GeV 4 GeV 26 GeV 50 GeV 450 GeV 1 TeV 7 TeV ~ 14 TeV Linac2 50 MeV (LP)SPL: (Low Power) Superconducting Proton Linac (4-5 GeV) PS2: High Energy PS (~ 5 to 50 GeV – 0.3 Hz) SPS+: Superconducting SPS (50 to1000 GeV) SLHC: “Superluminosity” LHC (up to cm -2 s -1 ) DLHC: “Double energy” LHC (1 to ~14 TeV) Proton flux / Beam power Σημερινή και Μέλλοντικοί Πιθανοί Injectors PS2

Γιατί Χρειαζόμαστε την Αναβάθμιση των Injectors; Ανάγκη για αξιοπιστία:  Οι προ-επιταχυντές (injectors) είναι πεπαλαιωμένοι [LINAC2 (1978), PSB (1975), PS (1959), SPS (1976)].  Λειτουργούν μακριά από τις παραμέτρους του σχεδιασμού τους και σχεδόν στα όρια του εξοπλισμού.  Η υποδομή έχει υποστεί αλλοιώσεις από τη συγκέντρωση των πόρων για LHC κατά τη διάρκεια των τελευταίων 10 ετών.  Ανάγκη για καλύτερα χαρακτηριστικά της δέσμης.

Διάταξη των Πιθανών Νέων Injectors SPS PS2 SPL Linac4 PS ISOLDE

Linac4 Πολιτική Μηχανική Linac4 tunnel Linac4-Linac2 transfer line Equipment building Access building Low-energy injector ground level

Η Περιοχή Αλληλεπίδρασης στο ATLAS

Αρχικά Σχέδια Γραμμικού Επιταχυντή 22 O επόμενος επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων – π.χ. Συμπαγής Γραμμικός Επιταχυντής (CLIC): • Ενέργεια στο κέντρο μάζας: TeV • Φωτεινότητα: > cm -2 s -1 Kυκλικός επιταχυντής χάνει πολύ ενέργεια,  E ~ E 4  δύο γραμμικοί επιταχυντές με το πείραμα στο κέντρο • Συνολικό κέρδος ενέργειας σε ένα πέρασμα: υψηλή βαθμίδα επιτάχυνση. • Η δέσμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μια φορά: μικρών διαστάσεων διασταύρωση στο σημείο των πειραμάτων. Linac I Linac II

Ο Γραμμικός Επιταχυντής km

International Linear Collider Αρχική Σχεδίαση Gev e+ e- ILC Linear Collider Energy 250 Gev x 250 GeV Peak luminosity Total power ~230 MW Accelerating Gradient 31.5 MeV/m

Το Σχέδιο CLIC Η επιλογή της τοποθεσίας του CLIC είναι ανεξάρτητη από την ανάπτυξη των τεχνολογιών που απαιτούνται για του e+ / e- γραμμικού collider σε πολυ-TeV ενέργεια. e+ / e- γραμμικού collider σε πολυ-TeV ενέργεια. –E cm είναι συμπληρωματική εκείνης του LHC & ILC E cm = 0.5 – 3 TeV –L > cm -2 s -1 –Ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας και κόστους.

Παράμετροι CLIC Παράμετροι

CLIC Γενική Διάταξη

CLIC Βασικά Χαρακτηριστικά •Yψηλή βαθμίδα επιτάχυνσης: > 100 MV/μ –“Συμπαγής” collider – συνολικό μήκος < 50 χμ. στα 3 TeV –Normal conducting σύστημα επιτάχυνσης σε υψηλή συχνότητα. Καινοτόμο σύστημα επιτάχυνσης –Οικονομικά αποδοτική, αποτελεσματική. –Μία σήραγγα. –Modular, εύκολη αναβάθμιση της ενέργειας σε στάδια. CLIC Διατομή Σήραγγας 4.5 m diameter QUAD POWER EXTRACTION STRUCTURE BPM ACCELERATING STRUCTURES Drive beam - 95 A, 240 ns from 2.4 GeV to 240 MeV Main beam – 1 A, 156 ns from 9 GeV to 1.5 TeV 100 MV/m 12 GHz – 64 MW

29 Σήραγγα CLIC Standard tunnel with modules Standard tunnel with modules DB dump DB turn-around UTRA cavern

Γενικός Σχεδιασμός Ανιχνευτή Πολλές μελέτες R&D για ανιχνευτές είναι σε εξέλιξη

29 Ιουνίου 2009 Ε.Ν. Γαζής / ΕΜΠ 31 IRFU/Saclay (France) Helsinki Institute of Physics (Finland) IAP (Russia) IAP NASU (Ukraine) Instituto de Fisica Corpuscular (Spain) INFN / LNF (Italy) J.Adams Institute, (UK) JASRI (Japan) Oslo University (Norway) Patras University (Greece) PSI (Switzerland), Polytech. University of Catalonia (Spain) RAL (England) RRCAT-Indore (India) Royal Holloway, Univ. London, (UK) SLAC (USA) Svedberg Laboratory (Sweden) Thrace University (Greece) Uppsala University (Sweden) Ankara University (Turkey) Argonne National Laboratoory, (USA) Athens Tech. University (Greece) Berlin Tech. Univ. (Germany) BINP (Russia) CERN CIEMAT (Spain) Finnish Industry (Finland) Gazi Universities (Turkey) JINR (Russia) JLAB (USA) KEK (Japan) Karlsruhe Univ. (Germany) LAL/Orsay (France) LAPP/ESIA (France) LLBL/LBL (USA) NCP (Pakistan) North-West. Univ. Illinois (USA) 32 ινστιτούτα με19 φορείς χρηματοδότησης από 17 χώρες Παγκόσμια CLIC Συνεργασία

32 Η Σημερινή Ελληνική Συμμετοχή στο CLIC Ελληνικά Πανεπιστήμια: Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ) Πανεπιστήμιο Πατρών Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Η επιστημονική κοινότητα συνεχίζει να οικοδομεί νέα τεχνολογικά μέσα μοναδικές επιταχυντές δεσμών με σκοπό την προώθηση της τεχνολογίας και την ανακάλυψη νέων φαινομένων πέραν της λειτουργίας του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή LHC. Καλούνται όλα τα ΑΕΙ της χώρας να συμμετάσχουν με, ΝΕΑΡΟΥΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΕΣ & ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ !!! (Φυσικοί ΚΑΙ Μηχανικοί)

Περίληψη και Συμπεράσματα • Ύψιστη προτεραιότητα της κοινότητας φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων είναι να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό της φυσικής του LHC. • Η Ευρωπαϊκή Στρατηγική για την Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων ενσωματώνει μια σειρά νέων έργων επιταχυντών για το μέλλον. •Η ανάγκη να ανανεωθεί το LHC είναι αναγνωρισμένη και σχετικά έργα / μελέτες έχουν αρχίσει. •Το κύριο κίνητρο για την αναβάθμιση της φωτεινότητας του LHC είναι να διερευνήσει περαιτέρω την φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, ενώ την ίδια στιγμή που συμπληρώνει το Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής που ξεκίνησε στο LHC. •Πολλά από τα ανοικτά ζητήματα από το LHC θα μπορούσαν να αντιμετωπιστεί καλύτερα από γραμμικούς επιταχυντές. • Ένας επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (ILC ή CLIC), στο οποίο όλοι-το κέντρο της μάζας-ενέργειας που διατίθενται για τις συγκρούσεις μεταξύ των συγκρουόμενων στοιχειώδη σωματίδια. • Αυτές οι νέες πρωτοβουλίες θα οδηγήσουν τη σωματιδιακή φυσική στις επόμενες δεκαετίες.