A.Variola. 1 ILC L’ accélérateur Merci à J.Brossard.

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1 A.Variola. 1 ILC L’ accélérateur Merci à J.Brossard

2 A.Variola. 2 D’abord il faut se poser les bonnes questions: 1) Comment construire un collisionneur leptonique à très haute énergie pour la physique fondamentale? 2) Quels sont les paramètres importants? 3) Quelle est la technologie associée?

3 A.Variola. 3 Choix 1) Machine circulaire : les particules sont produites, accélérées dans des tuyaux qui contiennent du champ e.m (cavités), injectés dans un anneaux où elles circulent sur une orbite circulaire et elles collisionnent en continu. 2) Machine linéaire : les particules sont produites, sont accélérées dans les cavités, elles collisionnent et après elles sont jetées.

4 A.Variola. 4 Collisionneur : très indiqué pour ce qui concerne Ecm 1)Pourquoi un collisionneur linéaire? RAYONNEMENT de Synchrotron Chaque fois qu’une particule est défléchie, elle perd de l’énergie sous forme de rayonnement POUR MONTER EN ENERGIE IL FAUT DES ANNEAUX ENORMES $$$$$$

5 A.Variola. 5 ATTENTION : quand on parle de projets si ambitieux le prix est l’un des paramètres de la physique (comme l’énergie, la luminosité etc.…). On peut démontrer que le prix est proportionnel à E 2 pour un collisionneur circulaire et à E pour un collisionneur linéaire. La choix du linéaire est inévitable. Quelqu’un pourrait dire : « donc on va dépenser 5 10 9 $ pour épargner de l’argent...(syllogisme) ». Il faut penser à l’ambition du projet…c’est un outil unique pour la physique fondamentale et l’un des plus gros projets jamais conçus….aussi de ce point de vu c’est le complément naturel du LHC. IL existe un point où la seule voie pour exploiter une machine e + e - à très haute énergie est construire un accélérateur linéaire (et qui mieux que le LAL….?) DESAVANTAGE : dans les machines linéaires on ne peut pas réutiliser le même faisceau pour les collisions. Beaucoup de pression sur la partie source, refroidissement et injection !!!!!!!!!!!!

6 A.Variola. 6 Donc, une fois qu’on a décidé de construire une machine linéaire, qu’est-ce qu’on s’attend d’elle? 1) Qu’elle marche (presque en continu) avec un prix "raisonnable"! 2) Beaucoup de physique….pour ça il faut qu’il y ait beaucoup de particules dans la collision et qu’elles se voient le plus possible (très proches) 3) Possibilité de prévoir, dans le futur, une augmentation de l’énergie pour explorer des domaines plus lointains Les points 1 e 2 définissent respectivement la technologie et le design du ILC !!!!

7 A.Variola. 7 1) ILC = TECHNOLOGIE FROIDE

8 A.Variola. 8 Accélération = cavités. Il existe des cavités chaudes (cuivre..) et des cavités froides (Niobium…) SC SC = quelques Kelvin ( -271 °C !!!!! Très froid ) => Il n’y a pas de pertes ‘Joule’ sur les parois. On peut injecter un courant très fort. Puissance RF (essence) demande réduite ($). Mais SC mal supporte les imperfections, donc les gradients d’accélération sont plus faibles par rapport aux sœurs chaudes….. ILC = Énorme effort R&D sur les cavités SC pour atteindre des gradients de plus de 30 MeV/m (500 GeV = 16 km) Solutions technologiques : polissage. Il faut nettoyer (chimie, cryo,…)!!!!! Attention à toutes les composantes : coupleurs, cryomodules, tuners…. L’interaction avec le monde extérieur est déterminante (vide et température) Avantage : pour ILC des trains de ~ 3000 paquets et de 1.3 ms de longueur sont prévus. 3nC/paquet => ~ 9mA!!! Les trains ont une fréquence de répétition de 5 Hz. En tout on a ~5-6 10 13 particules qui se voient chaque second…dans une surface de moins d’1 micron carré…

9 A.Variola. 9 Problèmes à aborder Les défis technologiques ont été étudiés et les plus importants maintenant ont une réponse. Cavités à plus de 30 MeV/m, sources multi MW, coupleurs a 2MW etc.… Il faut maintenant assurer la fiabilité des performances et optimiser les coûts Il faut agir dans la phase de réalisation (processus industriel) et d’exploitation (réalisation de la machine) Explorer des nouvelles technologies qui puissent augmenter les performances, baisser les prix en assurant la fonctionnalité. - EXEMPLES : Dépôt Neobium sur cavités cuivre, polissage des cavités par des nouvelles recettes……….

10 A.Variola. 10 Le design du ILC a été formulé pour atteindre les performances suivantes: ->centre-de-masse energy range : entre 200 et 500 GeV (continu) ->luminosité de pic ~2.10 34 cm -2 s -1, opérabilité (75%) qui permettra de produire 500 fb -1 dans les 4 premières années d’opération ->80% polarisation des électrons au Point d’Interaction (IP) ->stabilité en énergie <0,1% ->option pour ~60% de polarisation des positrons ->option pour collisions e - /e - et  - . -> En plus il faut penser à une machine ‘upgradable’ jusqu’à : énergie = 1 TeV ILC DESIGN Luminosité : paramètre de qualité du collisionneur. Il compte combien de fois et à quelle distance les particules se voient.

11 A.Variola. 11 Design - Les défis ILC doit disposer de faisceaux nanométriques au point de collision. 1) Comment les faire (petits et voyageant ensemble..) 2) Comment les réduire - refroidissement…mais pas T environnementale, concept statistique : réduction de la largeur de la distribution de la vitesse (3D) 3) Comment les transporter 4) Comment les faire interagir

12 A.Variola. 12 1) Sources Électrons polarisés : Canon Photo – déclenché + cathodes spéciales. Excellente qualité. Positrons : le vrai problème. Ils n’existent pas en nature, il faut les produire dans une cible par collision d’un faisceau de gamma ou d’électrons. A la production ils sont très dispersés (T énorme…) => La grande partie du design ILC est basée sur une paramétrisation fortement liée aux contraintes imposées par la source de positrons (charge par paquet, fréquence de répétition, acceptance des anneaux d’amortissement……) SOLUTIONS C’est très difficile d’imaginer la production par faisceau d’électrons. Trop d’énergie déposée dans la cible. Donc on découple et on prend seulement les gammas (onduleur). Problème : on est obligé d’utiliser le faisceau d’électrons à 150 GeV!!!! (solution spare …effet Compton ou l’onduleur est un laser et le faisceau est à 1.3 GeV) From : Ducan Scott, ILC Snowmass 2005

13 A.Variola. 13 2) Anneaux d’amortissement 5 Hz = 200ms. Pourquoi? Il faut de très petites émittances (L) Source e - ok, e + NO. On produit pendant 1.3 ms, après on injecte dans un anneaux où les leptons se refroidissent par émission de lumière de Synchrotron. Refroidissement on peut le simplifier comme ça: a)Particule de référence. On prend son système de référence. b)L’autre particule oscille autour de la trajectoire de référence = pseudo oscillateur harmonique k(s). Amplitude de l’oscillation = T c)Rayonnement de synchrotron extrait de l’énergie de la particule, donc de ses oscillations. La particule devient plus ‘froide’ ! Dans ces anneaux on forme à 5 GeV les faisceaux qui vont collisionner à 250 GeV. La collision se ‘rappellera’ de la qualité de l’anneaux d’amortissement. Le faisceau a une mémoire !!!! Pour ILC on parle de faisceaux avec des émittances extrêmement réduites (jamais atteintes !!!!). Tous les effets de la dynamique de particules sont impliqués dans cette activité….. reference

14 A.Variola. 14 3 ) Transport et préservation Les ondes transverses (wake fields) = les casseurs de faisceaux Le faisceau a un champ qui se propage avec lui…..tout obstacle crée des scies Les paquets qui suivent sentent la modification des champs. 1 paquet sur l’axe: modification de l’énergie (symétrie) 1 paquet hors axe : déflection La qualité des cavités et de l’alignement dans le Linac doivent être parfaits!!!!!

15 A.Variola. 15 4) Collision ATTENTION aux termes  et H d !!! 1) On a des faisceaux nanométriques qui doivent collisionner (alignement) 2) Petits faisceaux = grands champs associés => Hd (oscillation, création des pairs, pinch…..) Le point d’interaction et l’interaction faisceau-faisceau deviennent une science. -Stabiliser les interactions au nm -Feedback pour stabiliser les dérives -Étudier le bruit de fond généré -Étude de l’angle de collision -Étude de l’extraction après collision -Étude de la polarisation -Etc. -Créer les outils de calcul pour arriver à des résultats significatifs et pour proposer les bonnes solutions.

16 A.Variola. 16 Et à la fin ça ressemble à ça:

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18 A.Variola. 18 Conclusions ILC est le collisionneur leptonique du futur Projet très très ambitieux. Tous les paramètres sont à la pointe de la technologie et du design Grand effort mondial pour trouver des solutions On a fait des progrès formidables dans tous les domaines Accord sur la technologie froide. Les macro-régions sont mobilisées. Du point de vue du physicien accélérateur….aussi si on ne trouve rien il faut le faire!!!!!

19 A.Variola. 19 First step : Store positrons in damping ring. Damping rings : Circumference = 7 km 5 GeV 500 GeV 5 GeV 500 GeV Electron source (photo-injector) Pre-accelerating LINAC LINAC Simplify schematic view of the ILC Undulator Titanium- alloy target

20 A.Variola. 20 Beam Delivery System (BDS) Beams collision from 200 GeV up to 1 TeV in the center of mass « Push-Pull » Detector configuration Machine-Detector-Interface (MDI) http://flc-mdi.lal.in2p3.fr/ L ~ 32 (resp. 52) km E CM =0.5 (resp. 1) TeV

21 A.Variola. 21 Geology and tunnel profiles for the European site (close to CERN). Similar studies has been done for Asian (Japan) and USA (Chicago). Source : International Linear Collider Reference Design Report (RDR), August 2007 (http://www.linearcollider.org/cms/?pid=1000437) Upgrade à 1 TeV