1 Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. КОЛЛАЙДЕРЫ ТЯЖЁЛЫХ ИОНОВ LHC, RHIC, NICA И.Н.МешковОИЯИ

2 Содержание Введение 1. LHC/ALICE 2. RHIC – на пути к √s = 5 ГэВ/н 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.1. Схема комплекса 3.2. Режим работы и параметры 3.3. Коллайдер 4. NICA/critRHIC comparison 5. Встречные пучки поляризованных частиц в проекте NICA 6. Статус и планы проекта NICA Заключение И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г.

3 Введение Релятивистская ядерная физика Кварк-глюонная плазма «Смешанная фаза» «Тяжелоионные встречные пучки»

4 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Введение Три тяжелоионных коллайдера: RHIC NICA LHC/ALICE

5 1. LHC/ALICE И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. pp-collisions Energy7 TeV Number of particles3.23E14 DC beam current0.582 A Luminosity1E34 cm -2  s -1 Pb 82+ x Pb 82+ Energy2.76 TeV/u Number of ions4.14E10 DC beam current6.12 mA Luminosity (  collision = 0.5 m) 1E27 cm -2 s ­1 The 2nd run with proton beams  August 2009 ?

6 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Baryonic chemical potential [MeV] E lab  s GeV/u RHIC (?) NA49/61 (SPS) NICA & CBM  1. LHC/ALICE  поиск смешанной фазы? 1 fm/c ~ 3∙ s «Для образования q-g плазмы сверхвысокие энергии только мешают…» (А.М.Балдин, ~ 1996 г.)

7 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Colliding particles Heavy ions Protons Particle energy, GeV/u √s, GeV/u Luminosity (cm  2 sec  1 ) 2E26 (Au 79+ ) 1E31 Bunch number112? Orbit length, m RHIC – на пути к √s = 5 ГэВ/н Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Standard parameters Colliding particles Au 79+ x Au 79+ Energy range, GeV/u 1.6  9.1 √s, GeV/u5  20 critRHIC or “Low-energy RHIC” (since 2007)

8 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Stochastic cooling?  A big  too intense and bunched beams! Electron cooling?  High Energy electron cooling: 0.9  5 MeV E-Cooler at Femilab 4.34 MeV x 0.5 A DC current 9 m RHIC e-cooler Schedule: commissioning in 2013 Budget: $ 5M (not funded yet!) 2. RHIC – на пути к √s = 5 ГэВ/н critRHIC Problems: Low emittance formation IBS and Luminosity preservation Cooling  Stochastic cooling? Electron cooling? ?

9 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – - встречные пучки тяжёлых ионов Development of the NICA Concept and TDR May 2009: NICA TDR & MPD CDR will be completed January 2008 Conceptual Design Report of Nuclotron-based Ion Collider fAcility (NICA) (Short version) January 2009

10 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.1. Схема комплекса 2.3 m 4.0 m Booster Synchrophasotron yoke Nuclotron Existing beam lines (solid target exp-s) Collider C = 251 m MPD Spin Physics Detector (SPD)

11 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.1. Схема комплекса “Old” Linac LU-20 KRION + “New” HILAC Booster Nuclotron Collider MPD SPD Beam dump

12 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Booster (25 Tm) 1(2-3) single-turn injection, storage of 2 (4-6)×10 9, acceleration up to 100 MeV/u, electron cooling, acceleration up to 608 MeV/u Nuclotron (45 Tm) injection of one bunch of 1.1×10 9 ions, acceleration up to 1  4.5 GeV/u max. Collider (45 Tm) Storage of 17 (20) bunches  1  10 9 ions per ring at 1  4.5 GeV/u, electron and/or stochastic cooling Injector: 2×10 9 ions/pulse of 197 Au 32+ at energy of 6.2 MeV/u IP-1 IP-2 Two superconducting collider rings Stripping (80%) 197 Au 32+  197 Au 79+ 2х17 (20) injection cycles Bunch compression (RF phase jump) 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.2. Режим работы и параметры

13 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.2. Режим работы и параметры t, [s] 1 (2-3) injection cycles, electron cooling (?) electron cooling t, [s] Nuclotron magnetic field Arbitrary units injection bunch compression, extraction Extraction, stripping to 197 Au 79 + Booster magnetic field 34 (40) injection cycles to Collider rings of 1E9 ions 197 Au 79+ per cycle 1.7(2.0)  E10 ions/ring

14 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.3. Коллайдер The Project goals formulated in NICA CDR are the following: 1a) Heavy ion colliding beams 197 Au 79+ x 197 Au 79+ at  s NN = 4  11 GeV (1  4.5 GeV/u ion kinetic energy ) at L average = 1  cm -2  s -1 (at  s NN = 9 GeV) 1b) Light-Heavy ion colliding beams of the energy range and luminosity 2) Polarized beams of protons and deuterons: p  p   s NN = 12  25 GeV (5  12.6 GeV kinetic energy ) d  d   s NN = 4  13.8 GeV (2  5.9 GeV/u ion kinetic energy )

15 Ring circumference, [m] B  max [ T  m ]45.0 Ion kinetic energy (Au79+), [GeV/u]1.0  4.56 Dipole field (max), [ T ]4.0 Long straight sections: number / length2 x 48.0 m Vacuum, [Torr ]1E-11 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.3. Коллайдер General Parameters

16 Energy, GeV/u Ion number per bunch1E9 Number of bunches per ring17 Rms unnormalized beam emittance,  ∙mm mrad Rms momentum spread1E-3 Rms bunch length, m0.3 Luminosity per one IP, cm -2 ∙s E261.1E27 Incoherent tune shift  Q bet Beam-beam parameter  IBS growth time, s И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.3. Коллайдер Collider beam parameters and luminosity

17 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.3. Коллайдер B [kG] T e  = 10 eV BETACOOL simulation Parameters ion beam: 197 Au 79+ at 3.5 GeV/u,  initial =0.5  ∙mm∙mrad, (  p/p) = 1∙10 -3 electron beam: I e = 0.5 A, r e = 2 mm, T e|| = 5 meV;  = (6 m/250 m) IBS Heating and cooling – luminosity evolution at electron cooling 6 Luminosity [1E27 cm -2 ∙s -1 ] 4 2 0

18 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 3. Проект NICA – встречные пучки тяжёлых ионов 3.3. Коллайдер Electron cloud effect For NICA parameters ( 197 Au 79+ ions) (N bunch ) necessary ~ 7  10 8, (N bunch ) sufficient ~ 6  10 9.

19 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. But (!)  Incoherent (“Lasslet”) tune-shift”: Luminosity: 4. NICA/critRHIC comparison

20 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 1) Limited by detector acceptance 2) Limited by the ring acceptance 4. NICA/critRHIC comparison ColliderNICARHIC Ring circumference, m Rms bunch length, m ) K_bunch Ion number per bunch1E9 Rms beam emittance,  ∙mm mrad Incoherent tune shift  Q bet 0.05 Number of bunches per ring20112 (300?)  -function value in IP, m ) Luminosity per one IP, cm -2 ∙s E271.2(3.2)E26 RHIC test run, March 2008: E = 3.7 GeV/u, N bunch ~ 0.5E9, n bunch = 56  L = 3.5E23 cm -2 ∙s -1

21 2. Heavy ions in NICA (Contnd) What is “old” and what is new? 2.2. Collider: the problems to be solved  Collider SC dipoles with max B up to 4 T,  Lattice and working point “flexibility”,  RF parameters (related problem),  Single bunch stability,  Vacuum chamber impedance and multibunch stability,  Stochastic cooling of bunched ion beam,  Electron cooling at electron energy up to 2.5 MeV И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г.

22 Upper ring MPD B SPD B Spin rotator: “Full Siberian snake” Longitudinal polarization formation 5. Встречные пучки поляризованных частиц в проекте NICA И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. “Siberian snake” : Protons, 1  E  12 GeV  (BL) solenoid  50 T∙m Deuterons, 1  E  5 GeV/u  (BL) solenoid  140 T∙m

23 SPD “Full Siberian snake” MPD B Lower ring Longitudinal polarization formation 5. Встречные пучки поляризованных частиц в проекте NICA И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г.

24 From Nuclotron S Protons, 1  E  12 GeV  (BL) dipole  3 T∙m Deuterons, 1  E  5 GeV/u  (BL) dipole  5.8 T∙m Spin rotator B   ~ 90 0 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Polarized particle beams  injection 5. Встречные пучки поляризованных частиц в проекте NICA

25 Energy, GeV512 Proton number per bunch6E101.5E10 Rms relative momentum spread10E-3 Rms bunch length, m Rms (unnormalized) emittance,  mm  mrad Beta-function in the IP, m0.5 Lasslet tune shift Beam-beam parameter0.005 Number of bunches10 Luminosity, cm -2∙ s E30 Polarized proton beams parameters 5. Встречные пучки поляризованных частиц в проекте NICA И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г.

26 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 6. Статус проекта NICA: Инжектор HILAC – Heavy ion linac RFQ + Drift Tube Linac (DTL), under design and construction by the group of IHEP (Protvino). KRION - Cryogenic ion source of “electron-string” type developed by E.Donets group at JINR. It is aimed to generation of heavy multicharged ions (e.g. 197 Au 32+ ). RFQ Electrodes 2H cavities of "Ural" RFQ (prototype) Sector H-cavity of “Ural” RFQ DTL (prototype) To be commissioned in Криостат и вакуумная система КРИОН-6Т Автоматизированный станок для намотки СП соленоида To be commissioned in 2013.

27 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 6. Статус проекта NICA: Бустер Superconducting Booster in the magnet yoke of The Synchrophasotron Synchrophasotron yoke B  = 25 T  m, B max = 1.8 T 1)3 single-turn injections 2) Storage and electron cooling of 8× Au 32+ 3) Acceleration up to 440 MeV/u 4) Extraction & stripping “Nuclotron-type” SC magnets for Booster Nuclotron Booster 2.3 m 4.0 m Vladimir I. Veksler Dismounting is in progress presently To be commissioned in 2013.

28 To be designed, constructed and commissioned: 1.Injection system (upgrade) 2.RF system – new version with bunch compression 3.Dedicated diagnostics 4.Single turn extraction with fine synchronization 5.Polarized protons acceleration in Nuclotron To be commissioned in Статус проекта NICA: “Nuclotron-NICA” И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г.

29 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 6. Статус проекта NICA: Коллайдер “Twin magnets” for NICA collider rings “Twin” dipoles “Twin” quadrupoles 1 – Cos  coils, 2 – “collars”, 3 – He header, 4 – iron yoke, 5 – thermoshield, 6 – outer jacket Double ring collider; (B  ) max = 45 T  m, B max = 4 T To be commissioned in 2014.

30 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Under development in collaboration with - All-Russian Institute for Electrotechnique (Moscow) - FZ Juelich - Budker INP 6. Статус проекта NICA: Коллайдер Electron cooling system of the Collider Max electron energy, MeV 2.5 Max electron current, A 0.5 Solenoid magnetic field, T 0.3 “Magnetized” electron beam Solenoid type: “warm” at acceleration columns superconducting at transportation and cooling sections HV generator: Dynamitron type To be commissioned in m 3 m

31 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 6. Статус проекта NICA: Коллайдер Проблемы, которые ждут своего решения  Collider SC dipoles with max B up to 4 T,  Lattice and working point “flexibility”,  RF parameters (related problem),  Single bunch stability,  Vacuum chamber impedance and multibunch stability,  Stochastic cooling of ion bunched beam 1),  Electron cooling at electron energy up to 2.5 MeV 1) S-Cooling prototype to be tested at Nuclotron in 2010!

32 BNL (RHIC) Electron & Stoch. Cooling Budker INP Booster RF system Booster electron cooling Collider RF system Collider SC magnets (expertise) HV electron cooler for collider Electronics (?) IHEP (Protvino) I njector Linac FZ Jűlich (IKP) HV Electron cooler Stoch. cooling Fermilab HV Electron cooler Stoch. cooling И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 6. Статус проекта NICA: Коллабоация NICA GSI/FAIR SC dipoles for Booster/SIS-100 SC dipoles for Collider All-Russian Institute for Electrotechnique HV Electron cooler Corporation “Powder Metallurgy” (Minsk, Belorussia): Technology of TiN coating of vacuum chamber walls for reduction of secondary emission INR & ITEP

33 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. 6. Статус проекта NICA: Экспертиза проекта May 20, 2009 Tele-Conference of International Machine Advisory Committee (MAC) for Nuclotron-M & NICA Projects MAC members: 1.Б.Ю.Шарков (ИТЭФ/FAIR) 2.M.Steck (GSI) 3.С.Иванов (ИФВЭ) 4.N.Walker (DESY) 5.T.Roser  А.Федотов (BNL) 6.П.Белошицкий (CERN)   [А.Сидорин (ОИЯИ)] Observers: 1.В.А.Лебедев (FNAL) 2.Ю.Сеничев (FZJ) 3.Ю.Алексахин (FNAL) ОИЯИ 1.Р.И.Ледницки 2.Члены группы NICA

34 6. Статус проекта NICA: Экспертиза проекта May 20, 2009 Tele-Conference (окончание) И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Доклады: 1. Г.В.Трубников “Status of ‘Nuclotron-M Project’ and Plans” Concept and Status of The NICA Project” 2. И.Н.Мешков “Concept and Status of The NICA Project”

35 И.Мешков, Коллайдеры тяжёлых ионов Семинар ИТЭФ 27 мая 2009 г. Заключение: план-график проекта Thank you for your attention!