FAIR Facility for Antiproton and Ion Research El

FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) El nuevo centro internacional de investigación en Física Nuclear y áreas afines J. Benlliure Uni. de Santiago de Compostela • Introducción • El complejo de aceleradores • Objetivos científicos • Retos Tecnológicos • Situación actual del proyecto • Interés español en FAIR UPC, Diciembre. ‘ 04

La Física Nuclear en el siglo XXI La Física Nuclear tiene por objeto el estudio de la materia nuclear constituida por quarks y gluones ligados por la interacción fuerte. Dicha materia se manifiesta en el núcleo de los átomos (escala subnuclear), en cuerpos estelares o durante los primeros instantes del Universo (escala del Universo) - estructura y propiedades del núcleo atómico constituido por protones y neutrones ligados por la fuerza nuclear y donde también se manifiestan la interacción electromagnética y la débil el origen de los elementos químicos producción de energía y evolución de los cuerpos estelares - materia de quarks y gluones y la interacción fuerte el origen de la masa materia nuclear densa y caliente (Big-Bang, estrellas de neutrones. . ) - simetrías fundamentales de la naturaleza J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

La Física Nuclear en el siglo XXI - aplicaciones medicina (diagnóstico y tratamientos) producción de energía (fisión y fusión) nuevos materiales (caracterización y dopado) medioambiente arqueometría . . . . 70 años de investigación en Física Nuclear han permitido avances extraordinarios en la caracterización de la materia nuclear. Sin embargo, hoy en día todavía desconocemos el mecanismo por el cual los quarks se unen para dar lugar a los nucleones y su masa, y cómo estos a su vez se asocian dando lugar al núcleo atómico. J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

La Física Nuclear en el siglo XXI A finales de los 90, diversos foros internacionales (OCDE Megascience Forum y Nu. PECC) recomiendan proseguir intensamente las investigaciones en Física Nuclear utilizando las siguientes herramientas: haces de núcleos exóticos (10 Me. V – 1 Ge. V) haces de electrones (10 – 30 Ge. V) FAIR haces de hadrones p, K, m, n, anti-p (1 – 50 Ge. V) haces de iones pesados estables (10 A Ge. V – 3 A Te. V ) J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

FAIR: el mayor complejo de aceleradores GSI actualmente Haces de iones estables y exóticos y de antiprotones con energías hasta 30 Ge. V/u J. Benlliure

La estructura de la materia investigada con haces de iones y antiprotones galaxia 1021 m Fuerza Gravitacional Relatividad General materia 10 -1 m La investigación con haces de iones y antiprotones Interacciones ión-materia ADN Plasmas 10 -8 m Iones pesados 12 TW/g Fuerza Electromagnética QED Fuerza Electrodébil Fuerza Débil Modelo Estándard cristal 10 -9 m Campos EM intensos átomo 10 -10 m Fuerza Fuerte QCD J. Benlliure Plasma quark-gluón Excitación del vacío Nucleos al extremo Núcleos exóticos (1 Ge. V/u) núcleo atómico 10 -14 m nucleón 10 -15 m densos Estructura de quarks y gluones de los hadrones <10 -18 m electrón quark Antiprotones 0 -15(30) Ge. V Materia de quarks Iones relativistas (35 Ge. V/u)

Programa científico de FAIR Estructura, reacciones y astrofísica nuclear (núcleos exóticos o radioactivos) Física hadrónica y QCD no perturbativa (antiprotones) Materia nuclear y plasma de quarks y gluones (núcleos pesados relativistas) Física de plasmas densos (iones acelerados en pulsos muy cortos e intensos) Física Atómica con campos EM ultra intensos (iones & Petawatt Láser) y aplicaciones (Biomédicas, Materiales. . . ) Desarrollo de tecnología de aceleradores J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Posibilidades experimentales SIS 100, SIS 300: Iones estables con Z=1 -92 y energías hasta 30 A Ge. V SFRS: GSI actualmente SIS 100, SIS 300 Producción y separación de núcleos exóticos CR: Almacenamiento y medidas de precisión con núcleos exóticos SFRS RESR: HESR CR NESR Almacenamiento de anti-p y Deceleración de núcleos exóticos NESR: colisiones e--núcleo exótico colisiones anti(p)-núcleo exótico deceleración de anti(p) y nu. exót. HESR: colisiones anti(p)-p J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Requisitos experimentales Energía Intensidad de pico Intensidad media Estructura del pulso Núcleos exóticos 1 -2 A Ge. V Z=1 -92 1012 por ciclo 1012 por seg. < 50 ns para anillos Anti(p) 30 Ge. V 2. 5 1013 por ciclo Iones pesados U, 23 A Ge. V Ne, 30 A Ge. V Física de Plasma Física Atómica < 50 ns 109 por seg. 2 1012 por ciclo 1 - 23 A Ge. V 100 - 50 ns 109 por seg. - Producir haces de núcleos exóticos y anti-p con intensidades y precisiones más allá del límite de las tecnologías actuales - Funcionamiento en paralelo (varios haces simultaneos) del sistema de aceleradores más complejo que se ha diseñado J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Retos tecnológicos - gran intensidad tecnología superconductora imanes de ciclo muy rápido (4 T/s) ultra vacío - gran calidad óptica (emitancias pequeñas) enfriamiento estocástico enfriamiento por electrones - pulsos comprimidos radio frecuencias. . haces de gran potencia (GW) J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Retos tecnológicos - Funcionamiento en paralelo Duty-Cycles of the Accelerator Rings Radioactive Beams Plasma Physics Duty-Cycles of the Physics Programs Radioactive Beams 100 Tm Ring 200 Tm Ring Nucleus-Nucleus 100 sec Nucleus-Nucleus Collisions Antiprotons Collector & Storage Ring Plasma-Physics Antiprotons 0% 50% 100% High-Energy Storage Ring J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

FAIR: principales hitos 1995 -99 Discusiones sobre el futuro de la Física Nuclear (OCDE Megascience Forum, Nu. PECC) 2000 Desarrollo de la idea de una nueva instalación en el GSI 2001 Informe de diseño conseptual „Conceptual Design Report“ 2002 Recomendación de realización por el „ Wissenschaftsrat“ de Alemania 2003 Decisión de gobierno federal alemán de construir la instalación con dos condiciones: 25% del coste debe provenir de socios internacionales; construcción en etapas 2004 Se crea un „Steering Committee“ internacional (Alemania, España, Finlandia, Francia, Italia, Reino Unido, Rusia y Suecia) 2004 Se crea un comité científico STI y otro administrativo AFI para definir la futura instalación 2004 Letters of Intent (PANDA: ~ 320 participants, 44 institutions, 11 countries; CBM ~ 250 participants, 38 institutions, 15 countries; NUSTAR: ~450 participants, 98 institutions, 27 countries; FLAIR: ~ 250 participants, 48 institutions, 14 countries; . . . ) 2004 Firma del primer Mo. U FAIR J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Comité de dirección de FAIR ISC Internat. Steering Committee H. Schunck AFI Working Group STI Working Group Administrative and Funding Issues Scientific + Technical Issues Sidney Gales H. F. Wagner PAC QCD E. Chiavassa PAC NUSTAR R. Casten FAIR Project PAC APPA D. Schwalm TAC Yanglai Cho Observers: J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Grupos de trabajo FAIR Signing of Mo. U Phase I – Governed by Mo. U Contract(s) Development Contract(s) Negotiations Closing 2004 2005 Phase II Governed by Contracts 2006 Lo. I's Proposals / TR's TDR's PAC's J. Benlliure Technical Committee UPC, Diciembre. ‘ 04

2006 2005 General Planning I 2006 2007 2008 SIS 18 Upgrade 70 MW Connection Proton-Linac 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2013 SIS 100/300 Tunnel, SIS Injection+Extraction+Transfer SIS 100 Transfer Line SIS 18 -SIS 100 High Energy Beam Lines Transfer Buildings/Line Super-FRS, Auxiliary Bldgs. , Transfer Tunnel to SIS 18, Building APT, Super-FRS, CR-Complex RIB High+Low Energy Branch, Civil Construction 2 RIB Prod. -Target, Super-FRS RIB High+Low Energy Branch Antiproton Prod. -Target CR-Complex III 2012 2, 7 x 1011 /s 238 U 28+ (200 Me. V/u) 5 x 1012 protons per puls Civil Construction 1 II 201 1 x 1011/s 238 U 28+ (0. 4 -2. 7 Ge. V/u) ->RIB (50% duty cycle) 2. 5 x 1013 p (1 -30 Ge. V) 3 -30 Ge. V pbar->fixed target 10. 7 Ge. V/u 238 U -> HADES* Civil Construction 3 CBM-Cave, Pbar-Cave, Reinjection SIS 100 HESR &. 4 MV e- –Cooling In NESR V Ac c -8 ura m cy on : th s Civil Construction 4 SIS 300* 8 MV e- –Cooling e-A Collider 6 IV HESR ( ground level), NESR, AP-cave, e-A Collider, PP-cave 1 x 1012/s 238 U 28+ 100% duty cycle pbar cooled p (1 -90 Ge. V) 35 Ge. V/u 238 U 92+ NESR physics plasma physics Civil Construction Production and Installation Experiment Potential *SIS 300 installation together with SIS 100

Coste estimado del proyecto Costes estimados en el “Conceptual Desgin Report” Edificios e infraestructuras: 225 Mio. € Aceleradorr: 265 Mio. € Dispositivos experimentales: 185 Mio. € Personal: 185 Mio. € Total (incluyendo inflación): J. Benlliure 1020 Mio. € UPC, Diciembre. ‘ 04

Participación española en FAIR: principales hitos Oct. 2003 Reunión de presentación del proyecto FAIR en Santiago de Compostela Dic. 2003 El gobierno alemás invita oficialmente a España a participar en el proyecto FAIR Feb. 2004 Se constituye el “Steering Committee“ de FAIR con participación española (G. León) Mar. 2004 Se constituyen los grupos de trabajo AFI y STI con representación española May. 2004 S. Barberá sustituye a G. León en el “Steering Committee“ de FAIR Jun. 2004 Más de 15 grupos de investigación españoles participan en cartas de intención de experimentos FAIR Jul. 2004 Se inician los contactos con el CIEMAT para definir la contribución española a los aceleradores de FAIR Sep. 2004 España firma el primer Mo. U de FAIR Nov. 2004 España oficializa en el comité técnico de FAIR (TAC) su interés en contribuir diseñando y construyendo los elementos magnéticos del anillo NESR J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Interés científico de España en FAIR - Centro de Investigaciones Medioambientales Física de Plasma NUSTAR PANDA núcleos anti-p exóticos Física de Atómica J. Benlliure y Tecnológicas - Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) - Instituto de Física Corpuscular (CSIC) - Universidad Autónoma de Madrid - Universidad Complutense de Madrid - Universidad de Granada - Universidad de Huelva - Universidad Politécnica de Cataluña - Universidad de Santiago de Compostela - Universidad de Sevilla - Universidad de Valencia - Universidad de Castilla la Mancha - Universidad Politécnica de Valencia - Instituto de Matemática y Física Aplicada - Universidad Nacional de Educación a Distancia UPC, Diciembre. ‘ 04

Interés tecnológico/industrial de España en FAIR - Centro de Investigaciones Medioambientales y Tecnológicas - Universidad Politécnica de Cataluña ? ? - Elytt Energy (diseño de imanes) - ANTEC (manufactura de imanes) - TTM (vacío y criostato) - Grupo JEMA (fuentes de alimentación) NESR J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Interés tecnológico/industrial de España en FAIR Super-FRS - dipolos superconductores - cuadrupolos resistivos - cámaras de vacío - sistema criogénico - fuentes de alimentación CR RESR J. Benlliure NESR UPC, Diciembre. ‘ 04

Esquema del NESR Anillo de electrones: Circunferencia 45. 22 m Energía de los e- 200 -500 Me. V NESR: Circunferencia 222. 11 m Rigidez magnética max. 13 Tm Velocidad de subida 1 T/s Rango de energía: iones 4 – 840 Me. V/u anti-p 30 Me. V – 3 Ge. V J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

NESR: características ópticas perfil del haz y función de dispersión Aceptancia horizontal/vertical [mm mrad] Aceptancia en momentum [%] Ajuste horizontal/vertical J. Benlliure 160/100 ± 1. 75 3. 4/3. 2 Energía de transición 5. 74 Dispersión máxima [m] 7. 24 UPC, Diciembre. ‘ 04

NESR: características de los elementos magnéticos Dipolos Número Cuadrupolos (tipo ESR) 24 Campo máximo 1. 6 T Campo mínimo 0. 06 T Velocidad de subida 1 T/s B máximo 1. 5 T Radio de curvatura Angulo de deflexión Número 32 (8/24) Gradiente máximo del fcampo 3. 95/4. 8 T/m Gradiente mínimo del campo 0. 15/0. 18 T/m 8. 125 m Campo máximo 0. 51/0. 61 T 15° Campo mínimo 0. 019/0. 023 T Longitud efectiva 2. 128 m Longitud efectiva Anchura del gap usada 250 mm Apertura hor. Usada 300 mm Altura del gap usada 70 mm Apertura vert. Usada 180 mm Altura real del gap 90 mm Radio de aperture 128 mm Calidad del campo 1 10 -4 Calidad del campo 5 10 -4 J. Benlliure Retos tecnológicos en rojo ! 1. 24/0. 82 m UPC, Diciembre. ‘ 04

Resumen/conclusión - FAIR representa la principal apuesta de futuro de la Física Nuclear - este proyecto propone aglutinar los esfuerzos de la comunidad europea de Física Nuclear - tecnológocamente el proyecto. . . J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

NESR: diseño de los dipolos - superferric dipoles - 1 T/s low inductance needed cable - eddy currents in helium containment (bobbin) and cryostant “tube” forced-flow cooling non-conducting cryostat J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘ 04

Centros españoles que participan en FAIR USC UPC UAM UCM CIEMAT IEM-CSIC IMAFF-CSIC UCLM UHU J. Benlliure USE UGR - Centro de Investigaciones Medioambientales UPV IFIC-CSIC UV y Tecnológicas - Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) - Instituto de Física Corpuscular (CSIC) - Instituto de Matemáticas y Física Fundamental (CSIC) - Universidad Autónoma de Madrid - Universidad de Castilla la Mancha - Universidad Complutense de Madrid - Universidad de Granada - Universidad de Huelva - Universidad Nacional de Educación a Distancia - Universidad Politécnica de Cataluña - Universidad Politécnica de Valencia - Universidad de Santiago de Compostela - Universidad de Sevilla - Universidad de Valencia UPC, Diciembre. ‘ 04