BRGM visite: CERN présent et futur Frédérick Bordry 14 mai 2014

Les missions du CERN Repousser les frontières des connaissances Repousser les frontières des connaissances Les secrets du Big Bang …à quoi ressemblait la matière dans les tout premiers instants de l’existence de l’Univers ? Développer de nouvelles technologies pour les accélérateurs et détecteurs Développer de nouvelles technologies pour les accélérateurs et détecteurs Technologies de l’information : le Web et la Grille Médecine – diagnostic et thérapie Former les scientifiques et les ingénieurs de demain Former les scientifiques et les ingénieurs de demain Rassembler des personnes de différentes nations et cultures Rassembler des personnes de différentes nations et cultures

France et CERN / Mai CERN: fondé en 1954; 12 états membres « Science pour la Paix » 21 états membres Etats Membres: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume Uni, Slovaquie, Suède, Suisse Etats Membres: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume Uni, Slovaquie, Suède, Suisse Candidat à l’ accession au statut d‘Etat Membre: Roumanie Etat membre associé en phase préalable d’adhésion au CERN: Serbie En cours de négociation: Brésil, Chypre, Pakistan, Russie, Slovénie, Turquie, Ukraine Observateurs au Conseil: Inde, Japon, la Fédération de Russie, Turquie, les Etats-Unis, la Commission Européenne et l’Unesco Etats Membres: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume Uni, Slovaquie, Suède, Suisse Etats Membres: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume Uni, Slovaquie, Suède, Suisse Candidat à l’ accession au statut d‘Etat Membre: Roumanie Etat membre associé en phase préalable d’adhésion au CERN: Serbie En cours de négociation: Brésil, Chypre, Pakistan, Russie, Slovénie, Turquie, Ukraine Observateurs au Conseil: Inde, Japon, la Fédération de Russie, Turquie, les Etats-Unis, la Commission Européenne et l’Unesco ~ 2300 membres titulaires ~ 1620 autres personnels payés ~ utilisateurs Budget (2014) 1000 MCHF ~ 2300 membres titulaires ~ 1620 autres personnels payés ~ utilisateurs Budget (2014) 1000 MCHF

4 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai :First studies for the LHC project 1988 :First magnet model (feasibility) 1994:Approval of the LHC by the CERN Council :Series production industrialisation 1998:Declaration of Public Utility & Start of civil engineering :Placement of the main production contracts 2004: Start of the LHC installation :Magnets Installation in the tunnel :Hardware commissioning :Beam commissioning and repair :Physics exploitation 14 TeV proton-proton accelerator-collider built in the LEP tunnel LHC (Large Hadron Collider) Lead-Lead (Lead-proton) collisions A 27 km circumference collider…

5 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 Four large experiments Overall layout of LHC

LHC: les grands défis technologiques Les spécifications de nombreux systèmes dépassaient le plus souvent l’état de l’art. Il a fallu mener de longs programmes de R&D avec de nombreux instituts et industries du monde entier. Les spécifications de nombreux systèmes dépassaient le plus souvent l’état de l’art. Il a fallu mener de longs programmes de R&D avec de nombreux instituts et industries du monde entier.  Aimants supraconducteurs à champ élevé: 8.3 T (1232 aimants dipolaires de 15 m)  Le plus grand système d’aimant supraconducteurs (~10’000 aimants)  La plus grande installation cryogénique 1.9 K (hélium superfluide, 150 tonnes de LHe pour refroidir 37’000 tonnes)  Ultra-vide cryogénique pour les faisceaux de particules ( atm, 10 fois plus faible que sur la lune)  Des forts courants électriques contrôlés avec une grande précision (jusqu’à 13 kA)  Une très grande précision pour les convertisseurs de puissance (niveau du ppm)  Un système de protection ultra-fiable pour les aimants et les équipements (énergies stockées: magnétique > 10 GJ, dans les faisceaux >700 MJ)  Aimants supraconducteurs à champ élevé: 8.3 T (1232 aimants dipolaires de 15 m)  Le plus grand système d’aimant supraconducteurs (~10’000 aimants)  La plus grande installation cryogénique 1.9 K (hélium superfluide, 150 tonnes de LHe pour refroidir 37’000 tonnes)  Ultra-vide cryogénique pour les faisceaux de particules ( atm, 10 fois plus faible que sur la lune)  Des forts courants électriques contrôlés avec une grande précision (jusqu’à 13 kA)  Une très grande précision pour les convertisseurs de puissance (niveau du ppm)  Un système de protection ultra-fiable pour les aimants et les équipements (énergies stockées: magnétique > 10 GJ, dans les faisceaux >700 MJ)

7 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai April 2008 Last dipole down June 2007 First sector cold 2002 String 2 November delivered Main contracts signed 1994 project approved by council (1-in-2) June 1994 first full scale prototype dipole ECFA-CERN workshop 83 9T -10 m prototype September 10, 2008 First beams around 25 years Decision for Nb-Ti 9T- 1m single bore

8 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai : 0.04 fb -1 7 TeV CoM Commissioning 2011: 6.1 fb -1 7 TeV CoM … exploring limits 2012: 23.3 fb -1 8 TeV CoM … production BEH boson announce : LHC integrated luminosity 7 TeV and 8 TeV in 2012 Up to 1380 bunches with protons L peak =   30 fb -1

Prix Nobel en physique 2013 Le Prix Nobel de physique 2013 fut attribué conjointement à François Englert et Peter W. Higgs « pour la découverte théorique d'un mécanisme contribuant à notre compréhension de l'origine de la masse des particules subatomiques, et qui a été confirmée récemment grâce à la découverte de la particule fondamentale prédite (le boson de Higgs) par les expériences ATLAS et CMS menées au Large Hadron Collider du CERN ».

10 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai Done % done99 % doneOpening:100%97 % done 96 % done70 % done 100 % done 90 % done Closure: 80% 100 % done Long shutdown 1 (LS1)

11 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 Run 2Run 3 Run 4 LS 2 LS 3 LS 4LS 5Run 5 LS2 starting in 2018 (July)=> 18 months + 3 months BC LS3LHC: starting in 2023 =>30 months + 3 months BC Injectors: in 2024=>13 months + 3 months BC LHC schedule: Run2 and Run 3 Beam commissioning Technical stop Shutdown Physics Run 2Run 3 Run 4 LS 2 LS 3 LS 4LS 5Run 5 (Extended) Year End Technical Stop: (E)YETS EYETS YETS 300 fb fb -1 LS3 : HL-LHC installation LHC schedule: LS3 PHASE 1

12 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 Europe’s top priority should be the exploitation of the full potential of the LHC, including the high-luminosity upgrade of the machine and detectors with a view to collecting ten times more data than in the initial design, by around This upgrade programme will also provide further exciting opportunities for the study of flavour physics and the quark- gluon plasma. HL-LHC from a study to a PROJECT 300 fb -1 → 3000 fb -1 including LHC injectors upgrade LIU (Linac 4, Booster 2GeV, PS and SPS upgrade) The European Strategy for Particle Physics Update 2013

13 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 The HL-LHC Project New quadrupoles Nb 3 Sn New 11 T Nb 3 Sn dipoles Collimation upgrade Cryogenics upgrade Crab Cavities Cold powering Machine protection … Major intervention on more than 1.2 km of the LHC

14 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 Run 2Run 3 Run 4 LS 2 LS 3 LS 4LS 5Run 5 LS2 starting in 2018 (July)=> 18 months + 3 months BC LS3LHC: starting in 2023 =>30 months + 3 months BC Injectors: in 2024=>13 months + 3 months BC LHC roadmap: schedule beyond LS1 Beam commissioning Technical stop Shutdown Physics Run 2Run 3 Run 4 LS 2 LS 3 LS 4LS 5Run 5 (Extended) Year End Technical Stop: (E)YETS EYETS YETS 300 fb -1 3’000 fb fb -1 PHASE 1 PHASE 2

15 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 with emphasis on proton-proton and electron-positron high-energy frontier machines. These design studies should be coupled to a vigorous accelerator R&D programme, including high-field magnets and high-gradient accelerating structures, in collaboration with national institutes, laboratories and universities worldwide. HFM - FCCHGA - CLIC “to propose an ambitious post-LHC accelerator project at CERN by the time of the next Strategy update” d)CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context, CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context,

16 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 “CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context, with emphasis on proton-proton and electron- positron high- energy frontier machines.” Highest possible energy e + e - with CLIC (CDR 2012) Multi-lateral collaboration

17 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 with emphasis on proton-proton and electron-positron high-energy frontier machines. These design studies should be coupled to a vigorous accelerator R&D programme, including high-field magnets and high-gradient accelerating structures, in collaboration with national institutes, laboratories and universities worldwide. HFM – FCC-hhHGA - CLIC “to propose an ambitious post-LHC accelerator project at CERN by the time of the next Strategy update” d)CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context,

18 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 Malta Workshop: 33 TeV c.o.m October 2010 Magnet design (20 T): very challenging but not impossible. 300 mm inter-beam Multiple powering in the same magnet (and more sectioning for energy) Work for 4 years to assess HTS for 2X20T to open the way to 16.5 T/beam. Otherwise limit field to 15.5 T for 2x13 TeV Higher INJ energy is desirable (2xSPS) The synchrotron light is not a stopper by operating the beam screen at 60 K. The beam stability looks « easier » than LHC thanks to dumping time. Collimation is possibly not more difficult than HL-LHC. Reaching 2x10 34 appears reasonable. The big challenge, after main magnet technology, is beam handling for INJ & beam dump: new kicker technology is needed since we cannot make twice more room for LHC kickers.

19 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 "High Energy LHC" First studies on a new 80 km tunnel in the Geneva area  42 TeV with 8.3 T using present LHC dipoles  80 TeV with 16 T based on Nb 3 Sn dipoles  100 TeV with 20 T based on HTS dipoles HE-LHC :33 TeV with 20T magnets

20 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai 2014 Future Circular Collider Study - SCOPE CDR and cost review for the next ESU (2018) Forming an international collaboration to study: pp-collider (FCC-hh)  defining infrastructure requirements e + e - collider (FCC-ee) as potential intermediate step p-e (FCC-he) option km infrastructure in Geneva area ~16 T  100 TeV pp in 100 km ~20 T  100 TeV pp in 80 km

21 BRGM visite Frédérick Bordry 14 Mai