Collisionneur e + e - à très haute luminosité

SuperB:

Collisionneur e ⁺ e ^- à très haute luminosité

4 février 2011

Cecile Rimbault, LAL-Orsay

SuperB:

Collisionneur e ⁺ e ^- à très haute luminosité

Introduction Physics

High luminosity challenges

Le Projet SuperB

• Very high luminosity e

e

assymetric collider at the Y(4S) energy in c.m. (~10GeV)

• International effort since 2006

• Recently approved by italian government (dec.2010)

• 2 main sites proposed for construction @ Frascati in Italy

• French contribution: LAL, LAPP, LPNHE, LPSC,

LPT, CEA

4 SPARX-I SuperB

Linac

SPARX-II

Det. Hall SuperB

rings

C ~ ^{2.1 km}

SuperB site choices

University of Tor Vergata Campus:

- green field

Frascati National Laboratories:

- existing infrastructures

C ~ ^{1.4 km}

Injector Det. Hall

SuperB physics

Exploration of two frontiers

“Relativistic path” “Quantum path”

Crucial : Center-of-mass energy Crucial : Luminosity

SuperB

B physics @ U(4S)

Possible also at LHCb Similar precision at LHCb

τ physics

B_s at U(5S)

Charm at U(4S) and threshold

To be evaluated at LHCb

Higgs-mediated NP in MFV at large tan ββββ

SuperB -75ab^-1

M_H~1.2-2.5 TeV for tanβ~30-60

tan β tan β

tan β tan β

2ab^-1

M_H~0.4-0.8 TeV for tanβ~30-60

Importance of having very large sample >75ab^-1

2ab^-1 10ab^-1

75ab^-1

Lepton Flavor violation in ττττ decays with polarization

From Physics requirements…

• Measurements should be performed in a clean environment

• The systematic errors are very rarely irreducible and can almost on all cases be controlled with control samples. (up to..50-100ab^-1)

• Many measurements can be done at different energies ( charm/τ threshold, U(5S))

• New physics in τ decays

…To machine constraints

• assymetric energy collider

• High luminosity (10³⁶ cm^-2 s^-1)

• Flexible design

• polarized beam

Luminosité

cm AC

y x y

x b

g

n fN N P E

L /

4 4

2

η

σ πσ σ

πσ ⁼

=

n_b: nombre de paquets f: fréquence de répétition

N: Nombre de particules par paquet σσσσx: taille horizontale

σσσσ_y: taille verticale

P_AC: puissance machine ηηηη: efficacité

E_cm:Energie au centre de masse ε: emittance du faisceau

ββββ: fonction betatron N_evt:Nb d’evenements

σσσσ_eff:section efficace (barn=10^-24cm²)

Haute luminosité:

petite section transverse haute frequence de collisions

Collisionneurs lineaires: single pass

Frequence limitée par la puissance de la machine Haute luminosite: tres petite section transverse Collisionneurs circulaires: multi pass

Grande frequence de repetition La collision doit etre non destructive

y y x

x y

x * ,

,

,

ε β

σ =

avec

eff

N

L ⁼ σ

Luminosité

SuperB

CLIC

Tres haute luminosité dans les collisionneurs circulaires e

e

High Current Scheme

σ

σ

Hourglass requirement

β

≥ σ

Head-on

•Very high currents

–overheating, instabilities –power costs

–detector backgrounds increase

•Very short bunches (low β

*)

–costs, instabilities

•Crab cavities for head-on collision

–KEKB experience not very positive

Collisions de type ILC

Effets faisceau-faisceau de type ILC

Faisceaux de l’ILC:

• 2.10¹⁰ e^-/e⁺

• Dimension des paquets: σ_x = 600nm, σ_x = 6nm

• Energie: 250 GeV Champs EM intenses

Non calculables analytiquement outils de simulation: GUINEA-PIG++ developpé par le CERN et le LAL

https://trac.lal.in2p3.fr/GuineaPig

schéma collision faisceau-faisceau

Quand deux faisceaux collisionnent: effets électromagnétiques + quantiques:

• Déformation des faisceaux (pinch effect + disruption)

Effet sur la luminosité

• Rayonnement synchrotron (beamstrahlung)

• Bruits de fond secondaires

• Déflections électromagnétiques:

• Effet sur le bruit de fond secondaire

• Effet sur les mesures de la luminosité (Diffusion Bhabha)

• Dépolarisation des faisceaux

e⁺ e^-

Electromagnetisme

- Equation du mouvement d’un electron dans un champ:

0 )

4 (

2

2 =

∂ Φ + ∂

z x Nr n

dt x d

L

γ e

) . , , (

2

2

2 2

2

t z y x y n

x = π

∂ Φ + ∂

∂ Φ

≡ ∂

∆Φ

- Faisceau plat gaussien: ^∂_∂^{Φ = −x x}

∫

x

d e x e

σ τ

σ τ

σ

/ 0

2 / 2

/ ^{2 2}

1 2

∫

= −

∂ Φ

∂ x _x ^{y y}

x

d e

y e

σ τ

σ τ

σ

/ 0

2 / 2

/ ^{2 2}

1 2

) (

2 ) (

2

2 2

y x y y

x x

y x

σ σ σ σ

σ

σ + +

= + Φ

cste r +

= Φ log

) (

2

x x

x

e

x

x Nr

σ σ

σ

γ +

−

& =

σ_x(σ_x+σ_y)γ/(2Nr_e)

n_L=densité longitudinale

n_T=distribution transverse de charge ΦΦΦ

Φ=potentiel electrostatique

- Equation de Poisson:

Pour r >> σ_x,σ_y

Pour |x| << σ_x, |y|<<σ_y

- Angle de déflection au sortir de l’interaction:

Le parametre de disruption

) (

2

) ( )

(

y x

y x

z e

y x

D Nr

σ σ

σ

σ

γ +

≡

- Rapport de la longueur de faisceau sur la distance focale:

-Caracterise les effets classiques de l’interaction faisceau-faisceau dans les collisionneurs lineaires

- Si D<1 : le faisceau incident agit comme une lentille mince

- Si D>>1 : strong field, les particules oscillent dans le faisceau incident

Consequences sur la luminosité

D y

x b

eff

n fN H

L ⁴ πσ σ

=

[

]

1 1 ₃

3 4

/ 1

z

D D

D D D

H  + + β σ







 + +

=

- Dans le cas de faisceaux plats ( σ_x>>σ_y,D_x≤1):

y x

y x g

eff

D L

H L

σ σ

σ

=

σ

≡

) (

2

) ( )

(

y x y x

z e

y x

D Nr

σ σ σ

σ

γ +

≡

2 /

~ ⁻1 Dx

x

x

σ

σ σ

σ

- Luminosité reelle ≠ luminosité geometrique

- H_D: facteur d’agrandissement (enhancement factor)

- H_D: Difficilement calculable analytique parametrisation valable pour ILC:

Hourglass effect

[

]

1 1 ₃

3 4

/ 1

z

D D

D D D

H  + + β σ







 + +

=

Variation des tailles

transverses autour du point d’interaction.

( )

1 s

β s β

β

   

=    +       

Important si β

§ σ

: toutes les particules ne collisionnent pas au minimum de la taille transverse des faisceaux reduction de la luminosité

( ) ( )

y

s

s

σ = β ⋅ ε

σ

^≤ β

From M. Biagini

ββββ

*

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

-0,02 -0,01 0 0,01 0,02

s (m) 1 mm

5 mm

2 cm

Beamstrahlung

Pour ILC

• Υ ~0.046

• nombre de photons par particules: ~1,25

• fraction d’energie perdue par paquets: ~0.022

) (

6

5

y x

z e ave

Nr

σ σ

ασ

γ

≈ + Υ

-Rayonnement synchrotron du au champ EM du faisceau incident: la trajectoire des particules est courbée

les particules rayonnent de l’energie sous forme de photons L’énergie du faisceau est dégradée

- Parametre de beamstrahlung: mesure du champ vu par une particule du faisceau dans son centre de masse

(

)

BS

σ σ σ

δ

γ

∝ +

- Maximiser la luminosité tout en minimisant le beamstrahlung:

faisceaux plats

y x b fN L n

σ πσ 4

= 2

Les effets faisceau-faisceau dans les collisionneurs circulaires e

e

-Problematique differente:

- faisceaux réutilisés apres la collision

interaction faisceau non destructive (D<1) - Multi-turn important

!!!Resonances

optique concue telle que le faisceau

n’entre pas en resonance avec la machine.

-Interaction faisceau-faisceau:

beam-beam parameter ξ=incoherent tune shift

Equivalent a un element optique supplementaire dans l’anneau, qui induit un couplage x-y

- Luminosité

) (

2 _,

,

, µ µ µ

µ

y x

y x

y e x

y x

r n

σ σ

πσ β ξ γ

= +

±

±

±

y

N

L β ξ

+

∝

Tres haute luminosité dans les collisionneurs circulaires e

e

d

High Current Scheme Nano-Beam Scheme

Half crossing angle: φφφφ

2 φ

σ

σ

σ

σ

d = σ

φ

Hourglass requirement Hourglass requirement

β

≥ σ

Head-on

β

≥ σ

φ

plots from Y.Ohnishi

•Very high currents

–overheating, instabilities –power costs

–detector backgrounds increase

•Very short bunches (low β

*)

–costs, instabilities

•Crab cavities for head-on collision

–KEKB experience not very positive

• Ultra-low emittance

• Very small β

at IP

• Large crossing angle

• “Crab Waist” transformation

Super B

• SuperB-Factory is an asymmetric collider that can exploit new promising design approaches:

– large Piwinski angle scheme will allow for peak luminosity

≥≥≥≥ 10

cm

s

well beyond the current state-of-the-art,

– “crab waist” sextupoles used for suppression of dangerous resonances

– low currents with reduced detector and background problems, and affordable operating costs

– polarized electron beam can produce polarized τ leptons, opening an entirely new realm of exploration in lepton

flavor physics

SuperB

Crab waist

Crab sextupoles OFF: Waist line is orthogonal to the axis of other beam

Classical beam focusing with quadrupole

Crab-waist: beam focusing with sextupole

Crab-waist transformation

y = xy’/(2 θ ⁾

Crab waist off

Crab sextupoles OFF: Waist line is orthogonal to the axis of other beam

Plots by E. Paoloni

Crab waist on

Crab sextupoles ON: Waist moves parallel to the axis of other beam:

maximum particle density in the overlap between bunches

Plots by E. Paoloni

All particles in both beams collide in the minimum ββββ_y region, with a net luminosity gain

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 0

0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

Typical case (KEKB, DA Φ NE):

1. low Piwinski angle Φ < 1 2. β

comparable with σ

Crab Waist On:

1. large Piwinski angle Φ >> 1 2. β

comparable with σ

/ θ

Higher luminosity!

Example of x-y resonance suppression in LPA&CW scheme

D.Shatilov’s (BINP)

Tune plan ( ν

, ν

)

33

Tests at Daphne in LNF Frascati

34 two luminosity monitors Crab off Crab on

Beam sizes Crab off Crab On

Crab Sextupoles on all the time since the first time they were tested

Crab Waist works:

first experimental evidence

35

Luminosity [1028 cm-2 s-1 ]

β_y*=18mm, Φ_P=0.6 β_y*=9mm, Φ_P=1.9

β_y*=25mm, Φ_P=0.3

LPA alone gives more luminosity

Data averaged on a full day

Luminosity vs I ⁺ I ^-

36 Peak Luminosity

(cm^-2s^-1)

I^- (A)

I⁺

(A) N_bunches

Int. L /hour (pb^-1)

Int. L /day (pb^-1)

Wall plug power

(MW)

KLOE* 1.52x10³² 1.55 1.25 110 0.44 9.83 6

Siddharta^# 4.5x10³² 1.4 1.1 105 1.02 15 4

* before upgrade LPA&CW

# after upgrade LPA&CW

Present performances

Promising results…

LAL SuperB accelerator studies

Positron source - O. Dadoun, R. Chehab, G. Le Meur, P. Lepercq, F. Poirier, A. Variola

Design of the positron source Acceleration et Capture

Vacuum chamber design - B. Mercier, C. Prevost Calculation of background due SR in the ring Pumping system

Polarisation - C. Rimbault, A. Variola

Depolarisation due to beam-beam effect Spin transport

Beam-beam effects - G. Le Meur, F. Touze, C. Rimbault Study of beam-beam effects at SuperB

Optimisation of GUINEA-PIG++ for SuperB