botsingen bij 14 TeV

Proton-proton botsingen bij 14 TeV... alles of niets... Het Large Hadron Collider project van CERN, het Europese Laboratorium voor deeltjesfysica Jos Engelen CERN en NIKHEF-UvA Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 1

Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 2 In 50 years, we ve come a long way, but there is still much to learn gauge x8 Het Het Standaard Standaard Model Model H q q m qq m ll m H H Z Z W W g H h H h H m H L q q q q l l W H H ) ( ) 2 )( 2cos 1 ( 4 4 ) ( 2 1,, 2 2 2 2 4 3 2 2 2 + + + + + + + = + λ λ λ λ λ θ λ μ μ μ μ μ Wat we niet weten Ordinary matter

Het Standaard Standaard Wat we Model weten gauge x8? Made in Europe Made in USA Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 3

Anti-materie Kwalitatief: perfecte symmetrie, elk deeltje heeft anti-deeltje Kwantitatief: interacties volgen deze perfecte symmetrie niet; dit is een feit en ook een raadsel (het is dus een raadsel dat wij er zijn...) gauge x8 Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 4

Het Standaard Model Heeft een grote vlucht genomen na het aantonen van renormeerbaarheid: gauge x8 experimentele situatie in 1971 Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 5

Het Standaard Model wat nog ontbreekt is een experimenteel bewijs van wat het Standaard Model een grote vlucht deed nemen: spontane symmetriebreking volgens het Brout-Englert-Higgs mechanisme BEH mechanisme technisch : voeg interacties toe van scalair veld (complex doublet) met vector veld op standaard manier; de potentiele energie van dit veld leidt tot een grondtoestand die niet de symmetrie van het de potentiaal zelf heeft (SSB); de W en Z bosonen krijgen massa en er blijft een Higgs-veld over Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 6

Higgs potentiaal Higgs physica wordt gegenereerd door complex scalair veld met potentiaal 2 2 V μ φ + 4 = hφ met μ 2 negatief. Interacties geintroduceerd als gebruikelijk: L φ = * 2 2 4 ( μ ieaμ ) φ( μ + ieaμ ) φ μ φ hφ In het Standaard Model is de ijkgroep SU(2), introduceer complex doublet, 4 getallen na symmetrie breking blijft 1 reeel Higgs veld over en 3 massieve vector bosonen met longitudinale vrijheidsgraden (afwezig voor massaloze vectorbosonen): ook 4 getallen V Grondtoestand heeft niet de symmetrie van de potentiaal: Spontane Symmetrie Breking (er zijn meer voorbeelden) φ λ = ± λ 2 μ / 2h φ Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 7

Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 8 H q q m qq m ll m H H Z Z W W g H h H h H m H L q q q q l l W H H ) ( ) 2 )( 2cos 1 ( 4 4 ) ( 2 1,, 2 2 2 2 4 3 2 2 2 + + + + + + + = + λ λ λ λ λ θ λ μ μ μ μ μ Het Het Standaard Standaard Model Model wat wat nog nog ontbreekt ontbreekt Voor deze voordracht van belang: opdracht aan experiment is het vinden van een deeltje met spin 0, onbekende massa m H dat aan W en Z bosonen, aan quarks en leptonen, en aan zichzelf koppelt zoals hierboven beschreven dat is de primaire taak van de LHC We weten: m H > 114 GeV Voor m H > 850 GeV wordt unitariteit geschonden Dus: op de Teraschaal (1000 GeV) moet er iets gebeuren

De Teraschaal = terra incognita... of het Higgs mechanisme manifesteert zich in zijn eenvoudigste vorm... of er is meer aan de hand (er zijn talloze supersymmetrische modellen; theorieën met large extra dimensions )... of we vinden niets Het is interessant hierover te speculeren, maar deze voordracht gaat over de enorme technische stap die er gezet moest worden om LHC en bijbehorende experimentele opstellingen te realiseren deze stap is nu bijna gezet Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 9

De Teraschaal Protonen zijn samengestelde deeltjes, bestaan uit quarks, anti-quarks en gluonen. We zijn geïnteresseerd in botsingen tussen deze constituenten, die ieder een deel van de protonenergie dragen: proton-proton botsingen bij 14 TeV zijn quark-quark botsingen rond 1 TeV waarom protonen? weinig synchrotronstraling waarom 14 TeV? omtrek versneller (27 km); magneetveld (9 T); p=0.3br Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 10

Botsende bundels.,.,..,,,.....,..,,,...,,..,.,.,.,,..,.,.,.......,..,,,.....,..,,,...,,..,.,.,.......,.,..,,,.....,..,,,...,,..,.,.,.,,..,.,.,...... 25 m 46 m Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 10-15 m De detector ziet 1 miljard botsingen per seconde, er worden honderden deeltjes per botsing geproduceerd; snelle en stralingsbestendige detectoren en electronica sturen de signalen naar het on line computersysteen dat 150 events (150 MBytes) per seconde opslaat. 11

Eerste R&D meer dan 15 jaar geleden begonnen supergeleidende twee in een magneten perfecte dipolen 9 Tesla over 27 km koude massa 33000 ton koeling met superfluide Helium (130 ton) Waar deze voordracht speciaal de aandacht op wil vestigen: het LHC project vereist grensverleggende technologie, (versneller, experimenten en computing); alleen mogelijk dank zij: instandhouding kennis/kunde-infrastructuur centraal laboratorium (CERN); vigoreus R&D programma; vroege samenwerking met industriële partners; industrialisatie-proces grote contracten Met bijzondere dank aan Lyndon Evans LHC Project Leader

Deeltjesversnellers-synchrotron synchrotron RF p=0.3br B B R B p B RF: versnelling Focussering: quadrupolen Correctie: sextupolen, octopolen Bundeldynamica B Vacuum Van kamertemperatuur tot 1.9K Bundelpijp electron cloud effect Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 13

LHC layout Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 14

L. Evans EDMS Document 884743 15

De inauguratie Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 16

De perfecte Dipool I. I. Rabi, 1938 Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 17

Verdeling van geleiders in dipoolspoel Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 18

Magnetische flux twee in een dipool Dipole magnetic flux plot Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 19

Dipoolontwerp Synchrotron: magneetveld neemt toe met energie van 0.54 T (injectie) tot 8.33 T, stroom in spoel van 763 A tot 11850 A: belangrijk om geïnduceerde kringstromen beperkt te houden, genereren hogere orde multipoolcomponenten in het magneetveld. Van belang: kabelontwerp (strengen van 7 micron dikke NbTi filamenten in kopermatrix), weerstand kabel, isolatie tussen kabel (die ruimte moet laten voor binnendringen superfluïde Helium); ontwerp juk (lamellen; opervlakteweerstand) Mechanische stabiliteit (grote krachten; kleine verschuiving veroorzaakt quench ) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 20

Van streng tot kabel NiTi filamenten, 7μ (geproduceerd via extrusie) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 21

Dipoolspoel Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 22

Doorsnede LHC dipool Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 23

Voorbeeld van high tech (1232 van deze): Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 24

Magneet Cryostaat Assemblage Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 25

Dipoolmagneten ( cold masses ) Een periode van 2½ jaar was nodig voor op gang brengen industriële productie Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 26

De Large Hadron Collider 1.9 K 2.728 K De koudste ring in het heelal! T Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 27

Kritische stroomdichtheid waarboven supergeleiding niet mogelijk is Jc [A/mm2] 3000 2500 2000 1500 1000 NbTi @ 4.5 K NbTi @ 1.8 K Nb3Sn @ 4.5 K LHC Spec Cable 1 LHC Spec Cable 2 500 0 Nb3Sn bij 1.9 K materiaal vandde toekomst? R&D! 6 7 8 9 10 11 12 B [T] Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 28

Cryogenie superfluïde Helium: kruipt in de kleinste gaatjes (gebruik poreuze spoelisolatie); grote specifieke warmte; goede warmtegeleiding warmtewisselaar met stromend sf Helium (15 mbar); koelt juk, spoel en statisch heliumbad waarin deze zich bevinden; totale koude massa ~33.000 ton; hoeveelheid He ~120 ton grote en complexe infrastructuur (koelmachines, leidingen, pompen, kranen): bezig bediening te optimaliseren problemen geen grote, wel vele ( leaks and ground faults ): het gaat wat langzamer dan gehoopt. Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 29

Helium 100 2000 Specific heat [J/g.K] 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 LHe Cu Y(T) ± 5% 1500 1000 2.4 ( &) = & YT ( ) KT,q q 3.4 dt q& = dx Y(T) q & in W/cm T in K Xin cm 2 Helium II 0,00001 10000 1000 0 1 2 3 4 5 Temperature [K] SOLID 500 0 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 T [K] Tλ OFHC copper P [kpa] 100 HeII Pressurized He II l line HeI CRITICAL POINT GAS 10 Saturated He II 1 1 10 Amsterdam, 17 december 2007 T [K] KNAW - Afdeling Natuurkunde 30

Koeling Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 31

Architectuur cryogene infrastructuur (x4) 1.8 K Refrigeration Unit New 4.5 K Refrigerator Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit Warm Compressor Station Warm Compressor Station Warm Compressor Station Warm Compressor Station Surface Cold Box Upper Cold Box Shaft Cold Compressor box Interconnection Box Lower Cold Box Cold Compressor box Cavern Distribution Line Magnet Cryostats Distribution Line Magnet Cryostats Tunnel LHC Sector (3.3 km) LHC Sector (3.3 km) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 32

Infrastructuur & koelmachines 4.5K Point 8 Storage QSCC QSCA QSCB QSRA QSRB QSCC Shaft Surface QURA QURC QUIC QURC Cavern Sector 7-8 Sector 8-1 Tunnel Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 33

1.8 K infrastructuur Point 8 Storage Air Liquide QSCC QSCA QSCB QSRA QSRB QSCC Surface IHI Linde Shaft QURA QURC QUIC QURC Cavern Sector 7-8 Sector 8-1 Tunnel Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 34

26 april 2007, laatste magneet naar beneden getakeld 30 000 km underground at 2 km/h! Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 35

Stroomdistributie: : van gewoon- naar supergeleidend Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 36

Dipole-dipole interconnect V Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 37

Interconnect kabels Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 38

Per octant : Het afkoelen is begonnen... Van kamertemperatuur tot 80K voorkoeling met 1200 ton vloeibare stikstof (64 tankwagens van 20 ton). Drie weken voor de eerste sector. Van 80K tot 4.5K met koelmachine. Drie weken voor de eerste sector. 4700 ton aan af te koelen materiaal. Van 4.2K tot 1.9K. Compressoren op 15 mbar. Vier dagen voor de eerste sector. Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 39

Koelmachine 4.5 K 33 kw @ 50 K to 75 K 23 kw @ 4.6 K to 20 K 41 g/s liquefaction 600 kw precooling to 80 K with LN2 (up to ~5 tons/h) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 40

Eerste afkoeling Sector 7-87 LHC sector 78 - First cooldown 300 Return Temperature (K) 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 temperature Magnet temp. Supply temperature Active cooling in all thermal shields and cryogenic tranfer lines. All magnets isolated. Thermal shield temp. Active cooling in all thermal shields and cryogenic tranfer lines. All magnets isolated. 80 60 40 20 0 15/01/07 18:00 21/01/07 18:00 27/01/07 18:00 Re-start of active cooling for cryogenic transfer lines 02/02/07 18:00 08/02/07 18:00 Re-start of active cooling for magnets 14/02/07 18:00 20/02/07 18:00 26/02/07 18:00 04/03/07 18:00 Time (UTC) 10/03/07 18:00 Supply temperature Return temperature Magnet temperature (average over sector) Thermal shields temp. (average over sector) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 41

Zo moet het er uitzien Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 42

Sector 45 I Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 43

RF trilholtes Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 44

Twee 300 kw klystrons Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 45

LHC parameters (pp) Circumference 26.7 km Beam energy at collision 7 TeV Beam energy at injection 0.45 TeV Dipole field at 7 TeV 8.33 T Luminosity 10 34 cm -2.s -1 Beam current 0.56 A Protons per bunch 1.1x10 11 Number of bunches 2808 Nominal bunch spacing 24.95 ns Normalized emittance 3.75 mm Total crossing angle 300 mrad Energy loss per turn 6.7 kev Critical synchrotron energy 44.1 ev Radiated power per beam 3.8 kw Stored energy per beam 350 MJ Stored energy in magnets 11 GJ Operating temperature 1.9 K Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 46

Commissioning with Beam Nu installatie vrijwel voltooid is en hardware commissioning in volle gang kunnen we plannen voor commissioning met bundel: als alles goed gaat (als een sector onverhoopt moet worden opgewarmd kost dat al gauw 2 maanden) kunnen we in juni 2008 bundel in de machine hebben. Hoe snel er botsingen gerealiseerd worden hangt af van hoe goed/snel de bundeldynamica begrepen wordt onderwerp dat voordracht op zich verdient Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 47

LHC transfer lines and injections - overview combined length 5.6 km over 700 magnets ca. 2/3 of SPS 23.10.2004, 13:39 first beam at end of TI 8 TI 8 beam tests 23./24.10.04 6./7.11.04 IR8 28.10.2007, 12:03 first beam at end of TI 2 TT40 beam tests 8.9.03 TI 8 SPS LHC IR2 TI 2 beam test 28./29.10.07 TI 2 PMI2 TI 2 upstream part installed and HW commissioned by 2005. Courtesy of V. Mertens L. Evans EDMS Document 885240 48

Versnellercomplex Grootste ring: 27 km omtrek (1959) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 49

Detectoren LHC omgeving stelt niet eerdere gestelde eisen: Stralingshardheid (ook electronica) Snelheid (ook electronica) Omvang (grote magneten; massieve calorimeters) Nominaal: ~25 interacties elke 25 ns = 10 9 botsingen/sec *honderden deeltjes per interactie De totale werkzame doorsnede is Ο (100 mb) Higgs fysica (en andere nieuwe fysica ) heeft een verwachte werkzame doorsnede van 50 pb en minder: 10 pb/100 mb = 10-10 Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 50

YB0- end Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 51

ATLAS Central solenoid Barrel toroid (8 coils) Endcap toroids (8 coils each) Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 52 CERN Council week Dec. 10-14, 2007 52

SM Higgs in CMS Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 53

Conclusies De beslissing om het LHC project te entameren was er een van: alles of niets! (uitroepteken) technisch zeer uitdagend en veel was nog onbewezen op het moment van de beslissing (geldt voor machine en detectoren) Vandaag kunnen we vragen: alles of niets? Antwoord: commissioning is succesvol begonnen; geen grote technische problemen; wel nog een hoeveelheid werk te doen; vanaf komende zomer gaan de bundels draaien! En de fysica-opbrengst, alles of niets? Op de teraschaal moet de natuur belangrijke geheimen prijsgeven, anders is relativistische quantum-veldentheorie zelf niet meer te vertrouwen ( niets is alles ) Hoe dan ook: het experiment is aan zet, we zijn er bijna klaar voor Amsterdam, 17 december 2007 KNAW - Afdeling Natuurkunde 54