International Linear Collider Lutz Lilje Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

Übersicht Was ist der ILC? Kurze Beschreibung der Maschine ILC = International Linear Collider Kurze Beschreibung der Maschine Reference Design Report Aktuelle technische Entwicklungen/Tests Z.B. Supraleitende Hochfrequenztechnik Aktuelle Überlegungen zur Kostensenkung Z.B. Einzeltunnellösung Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

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Was ist der ILC? Supraleitender Linearbeschleuniger für Teilchenphysik mit Elektron-Positron-Kollisionen Elektron-Positron-Kollisionen? Prinzipiell sind sauberere Messungen möglich als z.B. bei Proton-Proton-Kollisionen bei LHC Z.B. PETRA I mit der Entdeckung der 3-Jet Ereignisse -> Gluonenabstrahlung! Hoffnung auf Präzisionsmessungen am Higgs-Teilchen Wenn‘s das denn wirklich gibt… … aber das wird der LHC ja zeigen. Supraleitender Linearbeschleuniger ? War da nicht mal was Anderes !?!?!? Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

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Hadronische Ereignisse bei PETRA I Aus Sicht der Strahlachse Überwiegend 2-Jet Ereignisse z.B. Quark-Antiquark-Erzeugung 3-Jet Ereignis bei JADE aus der Sicht der Strahlachse Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

Leichtes Higgs ? Global Design Effort Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

ILC: Precision Higgs physics Model-independent Studies mass absolute branching ratios total width spin top Yukawa coupling self coupling Precision Measurements Garcia-Abia et al Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

ILC Requirements Ecm adjustable from 200 – 500 GeV Luminosity: ∫Ldt = 500 fb-1 in 4 years Peak at max. energy of 2×1034cm-2s-1 Assume 1/g L scaling for <500 GeV Energy stability and precision below 0.1% Electron polarization of at least 80% The machine must be upgradeable to 1 TeV Two detectors Single IR in push-pull configuration Detector change-over in not more than 1 week Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 9

TESLA: Fortentwicklung zum ILC und XFEL Es gibt viel zu lesen: 1965 Vorschlag zu einem Linearcollider von M. Tigner 2001 TESLA TDR mit integriertem XFEL Aber auch Vorschläge für Linearcollider mit normalleitender Technologie 2002 TDR Ergänzung für seperaten XFEL 2004 Entscheidung für eine supraleitende Maschine (ITRP) Eigentlicher Beginn des ILC Programms 2006 XFEL TDR 2007 ILC RDR Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

FLASH beschleunigt mit TESLA Technologie Date Event Siegfried Schreiber – Grömitz– Nov-2008

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IP and 2 moveable detectors ILC Layout e- main linac IP and 2 moveable detectors e+ main linac e+ beam dump e- beam dump e- e+ damping rings e- source + pre-acceleration e+ pre-acceleration e+ production undulator target e+ transport line e- transport line 2-stage bunch compression Total length: ~31 km Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

ILC Reference Design High-gradient R&D Industrialisation Mass-production Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 14

ILC Reference Design Positron production 150 GeV primary e- beam used to generate gammas via a helical undulator. Thin-target conversion into e+e- pairs 1.2 km insert into main SCRF linac Additional “keep-alive” independent thick-target source (10% nominal) Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 15

ILC Reference Design 6.4 km Damping Rings Located centrally e+ / e- Located centrally around Interaction Region (IR) 10 m above IR plane Both rings housed in same tunnel (stacked) Cockcroft institute, UK Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 16

ILC Reference Design Beam Delivery System Diagnostics Beam halo collimation Demagnification of the beam at the Interaction Point Geometry laid out for Ecm ~ 1 TeV Not all magnets installed for 1 TeV ±2.2 km Single interaction region Push/pull detector concept assumed SLAC Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 17

Cost (VALUE) Estimate 10,000 person-years “implicit” labour Estimated cost (2007) ~6.7 Billion ILCU* 4.87 BILCU shared 1.78 BILCU site-specific 10,000 person-years “implicit” labour Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 18

Cost (VALUE) Estimate 75% Reduction of underground volume (tunnels, shafts, vaults) a primary target Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 19

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Technische Entwicklungen FLASH, XFEL und ILC basieren auf TESLA-Technologie ILC profitiert von der Arbeit für den XFEL und FLASH Industrialisierung Betrieb mit gepulsten supraleitenden Cavities/Modulen bei FLASH XFEL kann auch profitieren Hochaufgelöste optische Inspektion in der Industriefertigung ? Wird noch diskutiert Es existieren aber auch sehr interessante Alternativen für den ILC Ziel ist vorrangig Kosten zu reduzieren Typischerweise sind dies auch Dinge, die für den XFEL zu spät kommen nicht ausreichend getestet wurden … Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

Beschleunigungsgradient ACC2 ACC4 ACC5 ACC3 ACC6 TTF1 ACC1 (M2*) nicht aufgeführt Date Event Siegfried Schreiber – Grömitz– Nov-2008

Siegfried Schreiber – Grömitz– Nov-2008 Date Event Siegfried Schreiber – Grömitz– Nov-2008

9 mA Experiment FLASH Rekord Lange Pulszüge mit 3 nC pro Bunch: 550 Bunche bei 1 MHz (3 mA) 300 Bunche bei 500 kHz 890 MeV Strahlenergie Alle RF Stationen mit 800 µs Flat-Top 550 Bunche bei 1 MHz, 3 nC/Bunch, 890 MeV Vorexperiment 3 mA 6 kW mittlere Leistung Ziel 2009: 36 kW (9 mA) Date Event Siegfried Schreiber – Grömitz– Nov-2008

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TESLA cavity Z110: #8 cell equator #8 equator, t=288 ~ 299 deg T-map data in test 2, 14.2 MV/m t=292 deg Quench location #8 equator 250 ~ 300 deg 10mm t=297 deg group of beads(?) with 10mm wide were observed. Similar beads group were also observed in several places. see following slides. 1mm Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

TESLA cavity Z111: #6 cell equator #6 equator, t=193 ~ 204 deg T-map data in test 2, 16.0 MV/m t=198 deg 1.5mm t=199 deg Quench location #6 equator 175 ~ 225 deg group of beads(?) with 1.5mm wide were observed. 1mm Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

State-of-the-Art: Multi-cell Accelerating structures for XFEL and ILC Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

Alternative Developments for ILC Cost reduction is a strong driving force for ILC ~16000 cavities New Material Large-grain niobium Material Less fabrication steps than standard material New Shapes ‘Low-loss‘ and ‘Re-entrant‘ Could reduce power dissipation at cryogenic temperatures Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

Large Grain Material (JLab) Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

XFEL: Large Grain Multi-cell with EP Large-grain niobium material with etch (BCP) and electropolishing (EP) Behaviour similar to DESY observations on single-cells Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

Alternative Cavity Shapes Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

K. Saito et al. Global Design Effort Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

60mm-Aperture Re-Entrant Cavity Best Eacc = 59 MV/m Cornell-KEK Collaboration H. Padamsee et al. WEPMS009 Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

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Minimum Machine Elements Single-tunnel solution(s) Klystron Cluster concept Central region integration Low beam power option Single-stage compressor Quantify cost of TeV upgrade support “Value engineering” Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 36

Main Linac Support Tunnel RDR (two-tunnel) Access to equipment during ops Reliability/availability Shallow sites Cut and cover like solutions “service tunnel” on the surface Single tunnel European XFEL-like solution availability / reliability Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 37

Klystron Cluster Concept RF power “piped” into accelerator tunnel Removal of service tunnel Access to klystrons maintained R&D needed to show power handling Planned (SLAC, KEK) SLAC Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort 38

Und in Zukunft? Eine Realisierung des ILC hängt von vielen Dingen ab LHC Ergebnisse Energiebereich des ILC wird sicher von der Higgs-Masse abhängen, evt auch von SUSY-Teilchen Entwicklung beim XFEL Der XFEL ist etwa 1/20 des ILC und damit ein sehr guter Prototyp Das gilt auch für die Erfahrung mit FLASH Politischem Willen Geldgeber: Sehr unterschiedliche Signale in der USA und Japan Hochenergiephysik: Einbindung von CLIC soll auch die Geschlossenheit der Community deutlich machen Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort

CLIC and ILC layouts ILC @ 500 GeV Date Event

Subjects with strong synergy Working Groups & Conveners CLIC ILC Physics & Detectors L.Linssen, D.Schlatter F.Richard, S.Yamada Beam Delivery System (BDS) & Machine Detector Interface (MDI) D.Schulte, R.Tomas Garcia E.Tsesmelis B.Parker, A.Seriy Civil Engineering & Conventional Facilities C.Hauviller, J.Osborne. J.Osborne, V.Kuchler Positron Generation (new) L.Rinolfi J.Clarke Damping Rings (new) Y.Papaphilipou M.Palmer Beam Dynamics D.Schulte A.Latina, K.Kubo, N.Walker Cost & Schedule H.Braun, K.Foraz J.Carwardine, P.Garbincius, T.Shidara Date Event

Zusammenfassung und Ausblick Der ILC ergänzt das Hochenergiephysikprogramm um Präzisionsmessungen Im Rahmen des ILC-Programms wird die supraleitenden Cavity-Technologie weiter vorangetrieben (u.v.a.m.) Der XFEL und FLASH bieten sehr wertvolle Erfahrungen für die Weiterentwicklung des ILC Die Zusammenarbeit zwischen ILC und XFEL ist von Vorteil für beide Projekte und wir sollten sie nutzen! Beschleunigerseminar 20.11.2008 Grömitz Global Design Effort