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 ~ 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 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: 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 GeV/u max. Collider (45 Tm) Storage of 17 (20) bunches ions per ring at 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 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 = 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 = GeV ( GeV kinetic energy ) d d s NN = 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] 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 mmmrad, ( p/p) = 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 ~ , (N bunch ) sufficient ~

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 Tm Deuterons, 1 E 5 GeV/u (BL) solenoid 140 Tm

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 Tm Deuterons, 1 E 5 GeV/u (BL) dipole 5.8 Tm 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!