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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
3
Il collider pp LHC - sommario
 stesso tunnel di LEP (2R=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]
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
• Atlas e CMS prendono dati
anche con Pb-Pb;
• esperimento dedicato : Alice
(non trattata qui)
4
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
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
5
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.
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
6
B1
B2
LHC - dipoli
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
7
1000th Dipole Installed (sep 5, 2007)
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
S. Myers ATLAS 6th October 2006
8
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 .
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
z

p
9
luminosità vs 
• effetti dell’angolo di collisione (  285 rad) :
L( )  L(  0)f ( ) 
L(  0)
 L 
1 

 2T 
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

Paolo Bagnaia - La macchina LHC
(2E, 0, -2psin(/2), 0)
 (2E, 0, -E, 0)
 s  2E(1-2/8)
 s  - E 2/4  0
 |pT|  E   2 GeV
10
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  (2045) × 10-9  rad m; V  (0.251.0) × 10-9  rad m;
 *H  1.50 m;
• al Collider del CERN :
 p  9 × 10-9  rad m;
 *H  0.60 m;
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
*V  0.05 m;
pbar  5 × 10-9  rad m;
*V  0.15 m;
11
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 .
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
12
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 (23)×1026 cm-2s-1 =
(0.20.3) mb-1, con ~20 interazioni ciascuno.
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
13
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.
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
.00
0
5
10
15
20
t (h)
14
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.
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
15
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
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
-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
16
Il progetto LHC : tempi di realizzazione [storia]
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
17
2010/2011 delivered vs recorded
2010
 = 45.0/48.1 = 93.6 %
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
2011
 = 5.21/5.57 = 93.5 %
18
LHC now on its own in terms of stored energy
RB
LHC Oct. ‘10
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
19
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
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
Plan to continue
until around 2030
20
2012-2013 parameters
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/LuminosityPublicResults#
Luminosity_versus_day
(oppure l’equivalente CMS)
Paolo Bagnaia - La macchina 21
LHC
Fine - LHC
Paolo Bagnaia - La macchina LHC
22
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