LHC の現状と CERN の将来計画 2008.11.7 KEK 素核研　金茶会近藤敬比古

LHC の現状と

CERN の将来計画

2008.11.7KEK 素核研　金茶会

近藤敬比古

1

2

T=2.725

P 10∼ -9 torr

T=1.9K

P=10-10 torr

LHC First Beam の時の冷却状態

LHC 加速器の概要

８つの ARC と８つの直線部 ( 約 528m)からなる。Point 1: ATLAS, low Point 2: ALICE beam injectionPoint 3: beam collimatorsPoint 4: RF systemPoint 5: CMS, low Point 6: beam dumpPoint 7: beam collimatorsPoint 8: LHCb, beam injection

4 6

7

8

point 1

5

3

2

ATLAS

LHCbALICE

CMS

LHC Lattice, 1 cell 分の構造

quadrupole dipole3

・ BBC による世界同時中継のもとで 50 分で時計回りの 450GeV ビーム一周に成功した。・ CERN ウエブサイトは世界中から１億以上のアクセスがあった。・「素粒子物理学が未だかつてこれほど注目を集めたことはなかった。」（エマール所長）

First beam in the LHC

4

5

6

2*109 個の陽子が 140m 上流の閉じたコリメーターにダンプされた時にカロリメタートリガーで得られたもの。

2008.9.10 10h19 　アトラス測定器で捕えた初めてのビームイベント

両端に 3 ステーションずつある TGC での hits 。ビーム上流側 (A-side) にも下流側 (C-side) にも赤線で示した多数のヒットがある。

Beam 2 first beam – D-Day Beam 2 first beam – D-Day

7

450 GeV 陽子ビーム周回の進展の様子 : ビーム軌道は直ちに補正されることが見える。

Lyn Evans – EDMS document no. 970483

Beam on turns 1 and 2

8Courtesy R. Bailey

時計まわりで初めて１周したときのビーム


Few 100 turns

9Courtesy R. Bailey

RF capture なしでも数百回の周回に成功した。


Fast BCT

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Dump dilution sweep

11


No RF, debunching in ~ 25*10 turns, i.e. roughly 25 mS

12Courtesy E. Ciapala


First attempt at capture, at exactly the wrong injection phase…



Capture with corrected injection phasing



Capture with optimum injection phasing, correct reference



LHC longitudinal bunch profile Beam 2

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Synchrotron dumping による cooling がないのでハドロン加速器は RF のノイズがcritical な問題になる。このプロットをみて加速器屋は初めて成功を実感した（ Lyn Evans ）。


Integer tunes

17Courtesy R. Bailey

フーリエ解析による tune shift の測定（整数部分）


Tune measurements

18Courtesy R. Bailey


Fractional tune spectrum H & V (Beam2) – closest Q approach ~ 0.06 due to coupling

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Corrected closed orbit on B2.Energy offset of ~ -0.9 permill due to the capture frequency.

20Courtesy J. Wenninger

Closed orbit の例：この場合はビームエネルギーが -0.9ppm ずれている。


H wire scan

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ワイヤースキャンによるビーム形状の測定


Kick response compared with theoretical optics

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ビームにキックを与えたときの振る舞いは理論通りであった。


Beam 1 H dispersion on first turn Injection to beam dump

23Courtesy J. Wenninger

少しだけ高いエネルギーのビームを入射したときの dispersion も計算通りだった。

直線部

「まるで旧友に久しぶりに出会ったような感じがした」（ Lyn Evans プロジェクトリーダー）

　　　　　　　　　　大量のヘリウム漏れ事故について

9 月 20 日　 Press Release PR09.08 Incident in LHC sector 3-4

9 月 23 日　 Press Release PR10.08 LHC re-start scheduled for 2009

10 月 16 日　 Press Release PR14.08 CERN releases analysis of LHC incident

Investigations have shown that a faulty electrical connection between two magnets (shown in red) was the cause of the incident in sector 3-4 of the LHC on 19 September.

10 月 15 日　 Document EDMS 973073

Interim Summary Report on the Analysis of the 19 September Incident at the LHC https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf

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LHC main dipole/quad の超伝導バスバーの接続部分両側からの超伝導ケーブルが長方形の安定化銅に挟まれて電磁誘導でハンダ付けされる。ジョイントあたりの発熱を 100mW 以下に抑えるため、この接続部の抵抗は 0.5 nΩ 以下であることが要求される。

LHC 超伝導ダイポールの断面図と写真

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He ４の状態図H

e II

　超

流動

状態

He I 液体ヘリウム

D

C

1 気圧

1.9K,1 bar

1.8K,0.013bar

Heat Exchanger Tube を真空引きして温度を下げ、 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。

・ HeII の熱伝導率特性は 1.9K が最大。

・ 1.9K では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い。

温度 (K)

圧力

QRL （ cryogenic distribution line)

B

C

D

F

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LHC Lattice, 1 cell 分の構造

He 分配管(QRL)

真空容器

cold mass

Jumper配管

真空バリアーの位置

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QRL

LHC アーク部のヘリウム冷却システム

Heat exchanger tube 超伝導マグネット

• 2008年 9 月 19 日に、セクター 34 でパワーテスト中に故障が発生し、機械的な破損と冷えたヘリウムの漏れが起こった。

• 他の７つのセクターは 5.3 TeV相当の電流までテストされていた。セクター３４のみ 7 kA （ 4.1TeV相当）までしかテストされてなかった。

• 8.7kA で、 dipole C24 と quad Q24間の電流バスの中で抵抗領域が発達し、300mV が検出された。 0.39 秒後に抵抗電圧は１Ｖになり、電源が 0.46秒でトリップし slow dumpモードに入った。 0.86 秒後に回路にダンプ抵抗が入って fast dump が始まった。

• １秒後に電気アークが発生しヘリウム容器に穴が開き、真空容器へヘリウムが漏れ出し、圧力が 0.13 MPa 以上になった。

• ３秒後にビームパイプ１が４秒後にビームパイプ２の真空が劣化した。

• 同時に 19 と 20 のサブセクターの断熱真空も悪化した。数秒の間に fast dump のためにサブセクター 23-25 のクエンチがトリガーされた。２０秒内に他のマグネットでクエンチが起こり、 20 秒目で 27-29 の隣のサブセクターでも断熱真空の劣化した。各ヘリウム容器に設置された 1.7 MPaの自動解放弁が作動して 2.0 MPa 以下の圧力に保たれた。サブセクター19-21 では最高値の 2.1 MPa に達した。

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中間報告書　１

• 真空容器の圧力が１気圧以上になった時にスプリング型安全弁から開きヘリウムがトンネル内に漏れ出した。サブセクター 23-25 では圧力を 0.15 MPa 以下に保つことができず、隣のサブセクターと区別している真空隔壁に大きな力がかかりたぶん破壊された。

• その力でダイポールが動き、 cold サポートからずれてクオッドを入れている短い直線部のクライオスタットと真空隔壁を押して、 Q23, Q27, Q31 で外部の支持ジャッキからずれて、一部ではコンクリート床のアンカーが破壊された。

• 短い直線部のクライオスタットが動いたためにクライオ分配管のジャンパー接続が破壊された。しかしそのジャンパー部分の真空隔壁は破れなかったので、クライオ分配管の断熱真空は劣化しなかった。

• サブセクター 19-21,23-25,27-29 のマグネットの cold-mass内にあった約２トンのヘリウムは速い速度でトンネル内に漏れ出して雲を作り、トンネル内に設置された酸欠検出器が動作して緊急停止が働き、セクター 34 の全ての電源が停止された。電源が回復するまでに、ヘリウム漏れは続き、さらに４トンのヘリウムが失われた。そのセクターの１５トンのヘリウムのうち合計で６トンが失われた。

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中間報告書　２

• サブセクター 23-25 からマグネット間の接続部を開く作業に取り掛かった。電気アークの場所が確認された。隣の接続部には電気的かつ機械的な損傷は見当たらなかった。「すす状の塵」が広がっているのが判明した。この塵はビームパイプのなかにもある長さにわたり広がっていた。

• またクライオスタットのスーパーインシュレーション層にも損傷があることがわかった。修理が必要なマグネットは多くて quad ５台とdipole ２４台であるが、洗浄とスーパーインシュレーションの交換のため、おそらくもっと多くがトンネルから引き上げられることになろう。

• 点検が完了した時点で正確な修理必要なマグネット数がわかる。損傷したマグネットを取り換えるに十分な種類と数のマグネット支持部品はある。

• ビームパイプがどれだけ汚れたかはまだ完全にはわからないが、その場で洗浄できる方法を検討している。

• セクター３４の修理の計画は立てている。冬の点検保守の期間と合わることにした。マンパワーは確保されている。

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中間報告書　３

当面の方針

（１）似たような故障が他でも起こらないようにするため、セクター３４の故障の兆があるかデーターを精査している。ー＞兆候はあるようだ。

（２）クエンチ検出システムの改善を行い、マグネット、バスバー、接続部にわたって早目の警告とインターロック信号を出するようにする。より高い電流での LHC を動作させる前にそれらを備え付ける。

（３）真空容器の解放安全弁の数と流量を増やして、電気的なアークが生じても圧力が 0.15 MPa 以下になるようにする。

（４）真空隔壁がある所の真空容器の支持を強化する。

（５）電源オン時のアクセスのルールを再検討し、加速器トンネルのみならず近くの地下実験室と地下準備室もそれに含める。

「超伝導マグネットに蓄えられたエネルギーは非常に大きく、 LHC 加速器の運転は常にリスクを伴う。今回の修理とより向上した安全対策により、将来はより安全な運転ができると確信する。」

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中間報告書　４

LHC ビームの全エネルギー

• LHC ビームの持つ全エネルギー

• イギリスの空母　インビンシブル（重量 20,000 トン）がビームと同じエネルギーをもつ速度は

MJoule 362

Joule 101.6021071015.12808 19-1211

ppBbeam ENNE

knots 11.7 [m/sec] 62.36

Joule1062.31025.02

1 8272

v

vmvEship

12 ノットで走る空母インビンシブル

事故が起こったら。。。。

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その他： LHC は Blackhole を作り出し地球が消滅するとの提訴があったりした： http://jp.youtube.com/watch?v=M3iMX8xzofc&feature=related

http://jp.youtube.com/watch?v=M3iMX8xzofc&feature=related

LHC dipole のre-training 問

題

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• 全ての dipole magnet は地上でテストされ、 0-2 回ほどの training quench で11850A＝ 8.33Tesla （ 7 TeV相当）を越えた。

• Thermal cycle を経ると training で得た上昇分の一部は失われて quench点が低くなるものがある。セクター 45 で 3台、セクター 56 で >29台あった。

• 問題の magnet の殆どは３製造会社のうち Noell 社製造のものである。• １セクターでは１回の training quench に半日かかる。当面は 5 TeV で運転を開始し、冬の休止中に training を行うことになった。しかし今回の事故と安全対策で延期された。 2009年は 5+5 TeV運転だろう。

CERN の将来計画粒子物理学における欧州未来戦略　　（ 2006年7月 14 日特別理事会で承認）Scientific activities 1. LHC 物理の最大限に引き出すため、　　　　 SLHC に向けて組織化すること。 2. 加速器 R&D （ CLIC, 高磁場、 ν) 3. LC の準備と 2010頃の評価 4. ニュートリノ物理 5. 非加速器実験 6. フレーバー物理 7. 原子核物理 8. 理論物理Organizational issues　・ CERN が欧州粒子物理の責任をもつ。　・グローバル規模の協力。　・ CERN非加盟国による関わりの検討。　

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CERN 理事会で承認された追加予算　　（ 2007年6月理事会で承認）

第１テ－マ（最優先）：　・実験装置を最大性能に完成する。　・入射加速器などの緊急改善。第２テ－マ（優先）：　・ LINAC ４（１６０MeV ）を建設。　・新陽子加速器ＰＳ２（ 50 GeV ）の設計。第３テ－マ：・ＬＨＣアップグレ－ドの技術開発。・高強度ニュ－トリノとＣＬＩＣの設計。・超伝導マグネットの技術開発。・ＬＨＣ冷却とビーム機器の強化。・検出器技術の開発。・ＣＬＩＣのための技術開発。

加盟国による 240MCHF の追加予算を承認。

CERN を利用するユーザーの国別分布（ 2008年 2 月現在）

メンバー国から 65 % 、オブザーバー国から 28 % （日本は 2 % ）、他から 7 ％

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LHC などのアップグレード　

Phase IPhase I upgrade:upgrade: （ 2013年まで）1. ATLAS と CMS の low beta optics を改善する。2. Nb-Ti ケーブルを使った広い口径の quadrupoles で置き換える。

Phase IIPhase II upgrade:upgrade: （ 2016年まで）1. Stop of PSB and PS を廃棄する。2. LPSPL + PS2 を建設する。

Phase II’upgrade:Phase II’upgrade: 1. LPSPL を SPL (multi- MW 　　　　 at 2-5 GeV) にする。　　 2. EURISOL や Neutrino factory 　　　　に応用する

Linac4

PS

SPS

LPSPL: Low Power Superconducting Proton Linac (4 GeV)

PS2: High Energy PS(~ 5 to 50 GeV – 0.3 Hz)

SPS+: Superconducting SPS(50 to1000 GeV)

SLHC: “Superluminosity” LHC(up to 1035 cm-2s-1)

DLHC: “Double energy” LHC(1 to ~14 TeV)

Proton flux / Beam power

Upgrade components

PSB

SPSSPS+

Linac4

LPSPL

PS

LHC / SLHC DLHC

Out

put

ener

gy

160 MeV

1.4 GeV4 GeV

26 GeV50 GeV

450 GeV1 TeV

7 TeV~ 14 TeV

Linac250 MeV

PS2

39CLIC開発の進展状況　（ 2008.10.3 の Aymar 所長の talk より）



2012年 – 2016年の間の CERN の活動

LHC の物理結果とＲ＆Ｄの進展を基に 2010-2011年に決める。以下のようになると予想される（ Aymar 所長）。

・ LHC の Luminosity 増強のため新しい入射加速器（ SPL+PS2 ）を建設する。必要な resource ： 1000-1200 MCHF （ 6 年の合計）＋ 200-300人/年

・ LHC upgrade が終わる 2016年に CLIC建設を決定するための技術提案書　を用意する（ ILC の状況にも依存する）。必要な resource ： 250 MCHF＋1000-1200人/年。

・　インフラ増強に 30MCHF+40人/年。

上記のプログラムが認められれば、 CERN が他の大規模計画（ ILCや ν ）などに参加するに十分な資源はない。上記のプログラムの一つも認められないとか、大幅な追加支援がある場合は、この情勢は完全に変わるかも知れない。　

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