CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 1 Étude et conception de l’anneau de décroissance d’une usine à neutrinos utilisant la décroissance beta des noyaux.

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1 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 1 Étude et conception de l’anneau de décroissance d’une usine à neutrinos utilisant la décroissance beta des noyaux 6 He et 18 Ne A. Chancé sous la direction de J. Payet et O. Napoly CEA/DSM/DAPNIA/SACM

2 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 2 Plan Principe de la beta-beam Injection dans l’anneau de décroissance de la beta-beam Dépôts des produits de désintégration

3 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 3 Principe de la beta beam

4 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 4 Finalité du projet L’oscillation des neutrinos entre leurs différentes saveurs a été mise en évidence par l’étude des neutrinos solaires et atmosphériques.  Les neutrinos ont une masse  Besoin d’un faisceau intense et bien connu de neutrinos pour pouvoir étudier plus précisément ces oscillations et en déterminer certains paramètres essentiels (violation de parité, angles de mélange,…) 3 concepts proposés au CERN : –Super faisceau de pions issus d’intenses faisceaux de protons frappant une cible –Usine à neutrinos : utilisation de la désintégration de muons après accélération –« beta-beam » : utilisation de faisceaux d’ions radioactifs beta de durée de vie assez longue ( 18 Ne pour produire des faisceaux de neutrinos et 6 He pour des antineutrinos)

5 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 5 Pourquoi 6 He et 18 Ne Critères pour le choix des ions: –Possibilité de produire des quantités suffisantes d’ions –Gaz nobles de préférence – diffusion simple hors de la cible,état gazeux à la température de la chambre –Temps de vie assez long pour limiter les pertes par désintégration durant l’accélération –Temps de vie assez court pour avoir un bon taux de décroissance une fois les ions accumulés –Produits de désintégration ne doivent pas être potentiellement dangereux et à longue durée de vie Meilleurs candidats: – Hélium 6 pour produire des antineutrinos – Néon 18 pour produire des neutrinos

6 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 6 Schéma de principe Anneau de décroissance C = 7000 m L ss = 2500 m 6 He: γ = 100 18 Ne: γ = 100 SPL : Super Proton Linac ISOL : Isotope Separation On-Line RCS : Rapid Cycling Synchrotron PS : Proton Synchrotron SPS : Super Proton Synchrotron À construire Déjà existant CERN

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8 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 8 Paramètres généraux Longueur totale 6935 m, longueur arc 1068 m. Problèmes liés à la production L’une des sections droites pointe vers un détecteur situé à Fréjus à 130 km. 35% de désintégrations utiles L’injection est située dans l’arc. Des sections droites sont insérées à chaque début d’arc afin d’extraire les produits de désintégration 688 m 2400 m injection Anneau

9 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 9 Principe du système d’injection dans l’anneau

10 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 10 L’injection compense les pertes dans l’anneau Un faisceau circule déjà dans l’anneau  L’injection sur l’axe n’est pas possible.  Injection hors axe dans une région dispersive (région où des particules d’énergies différentes ont des trajectoires différentes) L’injection est dite « off momentum » car le faisceau injecté et celui stocké ne sont pas à la même énergie  Après un tour, le faisceau rencontre le septum Comment résoudre ce problème ? Problématique de l’injection Faisceau circulant Faisceau injecté déviateur rapide SEPTUM

11 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 11 Injection Schéma deviated beam kicker injected beam SEPTUM  E/E D Dispersive area Horizontal envelopes at injection Deviated beam Injected beam after one turn envelopes (cm) Septum blade s (m) L’injection est située dans une région dispersive Le faisceau stocké est dévié vers la lame du septum par 4 déviateurs rapides. A chaque injection, une partie du faisceau y est perdue Le faisceau entrant est injecté « off momentum » sur son orbite chromatique. Les déviateurs sont éteints avant le retour du faisceau Le faisceau injecté reste sur son orbite chromatique et passe ensuite sous la lame du septum L’énergie d’injection dépend de la distance entre l’axe du faisceau stocké après déviation et celui du faisceau injecté.

12 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 12 φ E Fusion des 2 faisceaux 3 grandes étapes : injection d’un faisceau à une énergie différente rotation dans l’espace des phases longitudinal gymnastique de phase quand le faisceau injecté est à l’énergie nominale à l’aide de deux cavités RF dont l’une est à l’harmonique double : E φ E φ

13 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 13 Injection du faisceau du SPS Il faut noter que la fusion des deux faisceaux va provoquer une augmentation des dimensions du faisceau circulant dans l’espace longitudinal. Problèmes liés à l’énergie limite acceptée par l’anneau.  15 injections maximum

14 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 14 Beam losses and beam size (in rms number) Puissance perdue par le faisceau stocké sur la lame du septum T : cadencement (8 s)  : temps de demi-vie de ‘lion au repos N I : nombre d’ions injectés à chaque injection a : coefficient de transmission du faisceau stocké au niveau du septum a est relié au nombre de rms, n m Distribution supposée du faisceau à 1D Avec 4.1 rms pour le faisceau stocké et 3.3 rms pour celui injecté, la puissance déposée sur la lame du septum est inférieure à 20 W. L’écart relatif en énergie est alors environ 0.5%. Les angles des déviateurs rapides sont 0.9 mrad (0.84 T.m) et 0.26 mrad (0.24 T.m)

15 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 15 Fonctions optiques de l’arc L’arc est réalisé afin de maximiser la dispersion au niveau de la section d’injection tout en conservant des fonctions optiques raisonnables La taille de l’enveloppe sera élevée dans les régions fortement dispersives à cause de la dispersion intrinsèque. Dispersion horizontale

16 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 16 Enveloppes du faisceau Faisceau injecté Faisceau stocké Dans les longues sections droites, les ouvertures (±2 cm dans les deux plans) sont définies par les dimensions du faisceau stocké. Par arc, il y a 489 m de dipôles à 6 T avec une demi ouverture de 3.5 cm. Les quadrupôles ont des champs sur le pôle de l’ordre de 0,6 T. Le septum d’injection fait 18 m de long et son champ est de 1 T.

17 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 17 Dépôt des produits de désintégration dans l’anneau

18 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 18 Extraction des produits de désintégration Les produits issus des désintégrations dans les deux longues sections droites n’y sont pas déviés. La quantité de ces ions est donc élevée à l’entrée de l’anneau  Nécessité de les extraire avant  Insertion de septum en début d’arc Pour le fluor, le septum utilisé fait 22.5 m pour un champ de 0.6 T. Fluor Lithium

19 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 19 Comment simuler le dépôt ions par mètre sont entre les enveloppes à n 1 σ et n 2 σ N S nombre d’ions stockés L longueur de l’anneau f σ distribution du faisceau σ écart type de la distribution La puissance émise par N ions du faisceau est : τ 1/2 temps demi vie (au repos) E 0 énergie de masse de l’ion Nous pouvons situer les dépôts des ions situés entre les enveloppes à n 1 σ et n 2 σ (en comparant la taille de l’enveloppe et celle de la chambre). Ainsi, il est possible d’évaluer ces pertes dans chaque élément.

20 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 20 Dépôts des produits de désintégration dans l’arc Avec des demi-ouvertures de 3.5 m dans les dipôles, la puissance déposée est de quelques W/m dans les éléments magnétiques. L’ensemble des dépôts est dans la chambre  Problème de radioprotection Nous travaillons avec une équipe de TRIUMF afin d’avoir une meilleure simulation des dépôts. Dépôt du Lithium Dépôt du Fluor

21 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 21 Conclusion La beta-beam est une source de neutrinos et d’antineutrinos électroniques reposant sur la décroissance d’ions radioactifs, notamment l’ 6 He et le 18 Ne. Elle devrait être basée au CERN et utiliser une partie de l’équipement déjà présent. L’anneau de décroissance est la dernière étape de la beta-beam et devrait faire 7 km pour des sections droites de 2.4 km. 1/3 des désintégrations survenues dans l’anneau seront alors des désintégrations « utiles ». L’injection doit se faire régulièrement dans l’anneau, tout en préservant le faisceau circulant. Ceci requiert un système d’injection complexe. Enfin, les ions utilisés sont radioactifs et à des énergies élevées, ce qui va poser de sérieux problèmes pour la radioprotection et les pertes dans l’anneau.

22 CEA DSM Dapnia SACM 07/06/2005 A. Chancé 22 2 nd order study Chromaticity corrected by 2 families of sextupoles. Arcs are 2Pi insertions.  The tunes are given by the straight sections phase advances.  It is quite easy to optimize the tunes. The working point is chosen according to : 1.the dynamic aperture 2.the momentum acceptance Physically, the momentum acceptance is limited by the septum position. Dynamic aperture at the injection point Best point