Lezione numero 20
23 Novembre 2001
Il complesso SPS del CERN.
Il LEP
L’SPS è rimasta la macchina di punta del CERN fino alla realizzazione del LEP, il cui schema è riportato in figura 1.
Figura 1
La catena di iniezione del LEP, si veda la figura 2, era ovviamente differente da quella dell’SPS, con la quale,
comunque, veniva condiviso il PS e l’SPS stesso; si iniziava dunque con un Linac da 200 MeV che accelerava un fascio
di elettroni contro un target di materiale pesante, dal quale si ricavavano i positroni.
Figura 2
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Elettroni e positroni venivano poi accelerati da un ulteriore Linac, da 600 Mev, che alimentava un anello di
accumulazione chiamato EPA (Electron Positron Accumulator). Da qui, e+ ed e- venivano mandati al PS, che li
accelerava fino a 3,5 GeV per poi spedirli nell’SPS, nel quale la loro energia veniva portata a 20 GeV. Solo a questo
punto avveniva l’ingresso nel LEP.
La costruzione del LEP è iniziata nel 1985 e la macchina ha attraversato due fasi della sua storia: LEP I ha funzionato
dal 1989 al 1999 ed era caratterizzato da cavità normal-conduttive, LEP II ha lavorato fino allo smantellamento previsto
per la realizzazione di LHC (2000) e ha sfruttato cavità superconduttive (in realtà la sostituzione delle cavità è avvenuta
in maniera graduale, sfruttando gli shut down annuali della macchina).
In tabella 1 sono raccolti alcuni parametri generali della macchina.
Machine circumference
Average radius
Maximum radius
Minimum radius
Dipole bending radius
Number of intersections
Number of bunches per beam
RF frequency
Revolution frequency
Harmonic number
Injection energy
Lattice type
Horizontal tune
Vertical tune
Momentum compaction factor
26658,879 m
4,243 km
4,263 km
4,204 km
3,0992 km
8
4
351,209 MHz
11,245 kHz
31320
20 – 22 GeV
LEP I
60°/cell
56…60
64…68
3,9 10-4
LEP II
90°/cell
89…91
93…95
1,9 10-4
Tabella 1
Si noti la libertà lasciata, a livello di progetto (i dati risalgono al 1982) per il tuning orizzontale e verticale, in modo da
non rischiare di incontrare problemi con la scelta del punto di lavoro. Tenendo come riferimento il lattice dell’SPS,
analizzato in maggior dettaglio, è possibile osservare anche la tabella 2, contenente alcuni dati caratteristici del lattice
del LEP.
Period length
79,00 m
Dipole magnetic length per period
70,06 m
Quadrupole magnetic length per period 2 × 1,60 m
Sextupole magnetic length per period
1,10 m
Bending angle per period
22,6122 mrad
Bending radius
3099,2095 m
Average period radius
3493,6846 m
Horizontal aperture
± 59 mm
Vertical aperture
± 33 mm
LEP I
LEP II
Hor. phase advance
60°
90°
Vert. phase advance
60°
90°
QF
QD
QF
QD
-0,01604
0,01604
0,02268
-0,02269
Parameters in strength
m-2
m-2
m-2
m-2
135,0 m
46,3 m
132,3 m
23,6 m
βx max
46,3 m
135,0 m
23,6 m
132,3 m
βy max
Dx
2,22 m
1,355 m
1,202 m
0,587 m
Tabella 2
Si osservi la notazione, tipica del CERN, che esprime con il simbolo D ciò che si è qui espresso come η. Nelle figure 3
e 4 sono mostrati gli andamenti delle funzioni del lattice nelle inserzioni nelle quali doveva avvenire l’urto tra i fasci nel
caso, rispettivamente, di LEP I e LEP II.
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Appendice 15
HIGH-ENERGY COLLIDER PARAMETERS: e+e- Colliders
The number here were received from representatives of the colliders in late 1999. Many of the numbers of course
change with time, and only the latest values (or estimates) are given here. Quantities are, where appropriate, r.m.s. H, V
and s.c. indicate horizontal and vertical directions, and superconducting.
Physics start date
Maximum beam
energy (GeV)
Luminosity
(1030 cm-2s-1)
Time between
collision (µs)
Crossing angle
(µrad)
Energy spread
(units 10-3)
Bunch length
(cm)
Beam radius
(µm)
Free space at
interaction point
(m)
Luminosity
lifetime (hr)
Filling time (min)
Acceleration
period (s)
Injection energy
(GeV)
Transverse
emittance
(π rad-nm)
β*, amplitude
function at
interaction point
(m)
Beam-beam tune
shift per crossing
(units 10-4)
RF frequency
(MHz)
Particles per
bunch (units 1010)
Bunches per ring
per species
Average beam
current per
species (mA)
Beam polarization
(%)
CESR
(Cornell)
1979
KEKB
(KEK)
1999
PEP-II
(SLAC)
1999
e-: 7-12 (9,0 nom)
e+ 2,5-4 (3,1 nom)
(nominal
Ecm: 10,5 GeV)
SLC
(SLAC)
1989
LEP
(CERN)
1989
6
e- × e+: 8 × 3,5
50
101 in 1999
(105 max
foreseen)
830 at 5,3 GeV
10000
3000
2,5
24 at Z0
100 at > 90 GeV
0,014 to 0,22
0,002
0,0042
8300
22
± 2000
± 11,00
0
0
0
0,6 at 5,3 GeV
0,7
e-/e+: 0,61/0,77
1,2
0,7 → 1,5
1,8
0,4
e-/e+: 1,1/1,0
0,1
1,0
H: 500
V: 10
H: 77
V: 1,9
+ 0,75/- 0,58
(+300/-500) mrad
cone
H: 157
V: 4,7
H: 1,5
V: 0,5
H: 200 → 300
V: 2,5 → 8
± 0,2,
± 300 mrad cone
± 2,8
± 3,5
2-3
2
2,5
-
10 (topping up)
8 (topping up)
3 (topping up)
-
-
-
-
-
600
6
e-/e+: 8/3,5
2,5-12
45,64
22
H: 240
V: 6
H: 18
V: 0,36
e-: 48 (H), 1,5 (V)
e+: 48 (H), 1,5 (V)
H: 0,5
V: 0,05
H: 20-45
V: 0,25→1
H: 1,0
V: 0,018
H: 0,33
V: 0,01
e-: 0,50 (H),
0,015 (V)
e+: 0,50 (H),
0,015 (V)
H: 0,0025
V: 0,0015
H: 1,5
V: 0,05
480
H: 390
V: 520
300
-
830
500
508,887
476
-
352,2
1,15
e-/e+: 1,3/3,2
e-/e+: 2,1/5,9
4,0
45 in collision
60 in single beam
9 trains of 4
bunches
5120 (5-10% gap
is necessary)
1658
1
4 trains of 1 or 2
260
e-/e+: 1100/2600
e-/e+: 750/2161
0,0008
4 at Z0
4→6 at >90 GeV
-
-
-
e-: 80
55 at 45 GeV
5 at 61 GeV
± 2,2 (± 0,6 to
REC quads)
212
20 at Z0
10 at > 90 GeV
20 to setup
20 to accumulate