Tests Crab Waist Super B A Variola SFR

Tests Crab Waist & Super. B A. Variola SFR JA 09 Roscoff, France, Octobre 2009 1

• Cas de physique: la nouvelle usine a b doit avoir une luminosité 100 fois plus grande de PEP et KEKB!!!!!! : 1) on y va avec les gros moyens (et difficultés…) : 10 A, focalisation forte, crab cavity…. • 2) On trouve une astuce…. Donc, qui sont les grands ennemis de la luminosité au point d’interaction (IP)? Overlap y area @ IP - Effet sablier (Hourglass) => b. T>sz [Taille] Disruption (pinch effect) [frep] y* z Collision parasite [emittance/tune] Avec angle de collision => Couplage, beta-beta / beta synchro [emittance/tune] 2

Astuce: Une nouvelle idée pour la collision (LPA & CW) P. Raimondi, 2° Super. B Workshop, March 2006 Principe : focalisation plus forte à l’ IP + grand angle de Piwinski (LPA)[ ] + deux sextupoles/anneau pour “twister” le waist du faisceau au point d’interaction (CW) • Grand angle de Piwinski • Transformation “Crab Waist” • • Petite surface d’intersection Emittances très réduites Très petit b* à l’IP Un b* encore plus petit c'est possible • Pas d’interaction parasites • Pas de résonances x-z!!!! 3

Le Schéma Crab waist Pour une luminosité plus élevée 1)Un seul passage : haute valeur D (disruption) par les effet faisceau-faisceau (pinch) = petits sx, sy 2)Le faisceau a réutiliser dans un anneaux de stockage pour maximiser frep «petit» D 3)Pour réduire D en même temps que sx, sy il faut également un petit sz Échanger x avec z avec l’angle de croisement Ce schéma permet de travailler avec un bêta très petit Mais : il introduit résonances B(x)-B(y) et S(z)-B(x, y) (fort couplage des coordonnées). «Crab Waist pensaci tu…» ( «Fais quelque chose pour moi…» ) 4

• Mais l’angle introduit des résonances !!!! • C’est comme avoir un Qpole focalisant dans les deux plans, avec un tilt x/z…. • CRAB WAIST : Le waist vertical doit être une fonction de x: sextupole in phase avec le IP in X et a p/2 in Y ( il porte aussi une petite augmentation de la luminosité ) WEAK-STRONG Petite surface de collision : sx/q 5

Suppression x-y résonance in LPA&CW D. Shatilov’s (BINP), ICFA 08 Workshop Cas typique (KEKB, DAFNE): Luminosité beaucoup plus élevée! Avec Crab Waist : 1. faible angle de Piwinski F < 1 1. grand angle de Piwinski >> 1 2. by comparable à sz 2. by comparable à sx/q 6

• Schéma: Permet des b très petites et il évite les résonances • Le nouveau schéma a été testé sur DAFNE 7

Tests DAFNE Cerise sur le gâteau pour les programmes de physique 1. Respecte l’échéancier de DAFNE (clôture pour l’installation de SIDDHARTA à la mi-2007) 2. Satisfait aux nouveaux programmes de physique (SIDDHARTA, KLOE 2, FINUDA. . . ) 3. Petites modifications nécessaires 4. Coûts relativement bas (1 mln euro) pour la dynamique du faisceau 1. Pas de champ solenoidal du detecteur 2. Pas d’aimants séparateurs 3. Pas de bobines de compensation 4. Pas de collisions parasites 5. Faible impedance (IR simple, nouveaux soufflets, nouveaux kickers d’injection) 8

PROFILES FAISCEAU @IP ET NOUVEAUX PARAMETRES DAFNE (KLOE run) DAFNE Upgrade Ibunch (m. A) 13 13 Nbunch 110 by* (cm) 1. 8 0. 85 bx* (cm) 160 26 sy* (mm) 5. 4 low curr 3. 1 sx* (mm) 700 260 sz (mm) 25 20 Horizontal tune shift 0. 04 0. 008 Vertical tune shift 0. 04 0. 055 qcross (mrad) (half) 12. 5 25 FPiwinski 0. 45 2. 0 L (cm-2 s-1) 1. 5 x 1032 Une luminosité 3 fois plus grande 9 obtenue avec un faisceau plus petit dans la dimension verticale

New Experimental Interaction Region 10

IP 5. 5 cm • Aluminium • Epaisseur fenêtre 0, 3 mm 11

Le Crab Waist marche : premières preuves expérimentales Crab On Taille du faisceau Crab off Crab on Deux detecteurs de lumi Crab off 12

Résultats de luminosité Données moyennes sur une journée entière Luminosité [1028 cm-2 s-1] by=9 mm, Pw_angle=1. 9 Rien que LPA donne plus de luminosité by=25 mm, Pw_angle=0. 3 by=18 mm, Pw_angle=0. 6 13

Luminosité normalisée [1028 cm-2 s-1] by=9 mm, Pw_angle=1. 9 Mêmes dimensions du faisceau et luminosité normalisée à faible courant avec et sans Crab Sextupoles by=18 mm, Pw_angle=0. 6 by=25 mm, Pw_angle=0. 3 14

Les deux meilleurs résultats y(max)=0. 042 15

Luminosité normalisée avec ou sans Crab 16

Luminosité en régime weak-weak et weak-strong Courants faibles y ~ 0. 020 487 2 1978 Courants asymétriques y ~ 0. 0626 472 Jan. 19 th 2009 1. 01 E+3 198 1. 31 E+ 32 Jan. 9 th 2009 17

• Le schéma a été démontré et est prêt pour une nouvelle machine à haute luminosité. 18

Caractéristiques principales de Super. B • Objectif : maximiser la luminosité tout en gardant une faible consommation de puissance • • Design avec 2 anneaux (4 x 7 Ge. V): flexible Optique -> ultra low emittance: 7 x 4 pm vertical emittance Courants des faisceaux: comparable aux usines actuelles Projet LPA & CW scheme utilisé pour maximiser la luminosité et minimiser l’augmentation de la taille du faisceau • Pas d’utilisation d’onduleurs (réduction de la consommation d’énergie) • Design basé sur le recyclage du hardware PEP-II (réduction des coûts) • Polarisation longitudinale pour e- dans le HER (sans precedents) 19

Comparaison entre Super. B et Super-KEKB Paramètre Unités Super. B Super-KEKB Ge. V 4 x 7 3. 5 x 8 Luminosité 1036/ cm 2/s 1. 0 to 2. 0 0. 5 to 0. 8 Courants faisceaux A 1. 9 x 1. 9 9. 4 x 4. 1 y * mm 0. 22 3. x * cm 3. 5 x 2. 0 20. angle de croisement mrad 48. 30. to 0. Puissance RF (AC line) MW 20 to 25 80 to 90 Tune shifts (x/y) 0. 0004/0. 27/0. 3 Energie Une luminosité 100 fois plus élevée obtenue seulement avec un faisceau plus petit en vertical Super-KEKB Super. B 20

Flexibilité des paramètres de Super. B LER/HER Unit Juin 2008 Jan. 2009 Mars 2009 Version LNF Ge. V 4/7 4/7 cm-2 s-1 1 x 1036 I+/I- Amp 1. 85 /1. 85 2. 00/2. 00 2. 80/2. 80 2. 70/2. 70 Npart x 1010 5. 55 /5. 55 6/6 4. 37/4. 37 4. 53/4. 53 1250 2400 1740 m. A 1. 48 1. 6 1. 17 1. 6 q/2 mrad 25 30 30 30 bx* mm 35/20 b y* mm 0. 22 /0. 39 0. 21 /0. 37 ex nm 2. 8/1. 6 ey pm 7/4 7/4 sx mm 9. 9/5. 7 sy nm 39/39 38/38 sz mm 5/5 5/5 x X tune shift 0. 007/0. 002 0. 005/0. 0017 0. 004/0. 001 3 0. 004/0. 0013 y Y tune shift 0. 14 /0. 14 0. 125/0. 126 0. 091/0. 092 0. 094/0. 095 Stations RF LER/HER 5/6 5/8 6/9 Puissance RF MW 16. 2 18 25. 5 30. 21 m 1800 E+/EL Nbun Ibunch Circonférence 1400

• Extension des tests DAFNE à la machine Super. B • TEST on the beam-beam effect codes • 1) weak-strong ok • 2) strong-strong ok 22

Simulations faisceau-faisceau strong-strong => Check Dafne positif !!!!!! June ’ 08 lattice Ø Code modifié strong -strong (beaucoup plus rapide): § PIC dans la zone de recouvrement des faisceaux § gaussian aux limites Une luminosité de 1036 peut être atteinte K. Ohmi 23

S. Tomassini Choix du site de Super. B site Anneaux Super. B Det. Hall Campus de l’université de Tor Vergata : - zone verte - synergies avec le projet SPARX-FEL C = 1. 8 km SPARX-I Linac Super. B SPARX-II Laboratoires nationaux de Frascati : - infrastructures - synergies avec le projet SPARX-FEL toujours possibles Injecteur C = 1. 4 km Det. Hall 24

Conclusions • • Le test sur DAFNE ont montré que le programme LPA&CW marche ! Le simulations weak-strong et strong-strong confirment l’expérience DAFNE => extension à Super. B • L’optimisation des paramètres de. Super. B (environ 1 x 1036 cm-2 s-1) est en cours • Mini-MAC a approuvé le design de la machine: «Maintenant Mini-MAC encourage de manière enthousiaste l’équipe chargée du design de Super. B à procéder à la phase TDR et il est confiant que le paramètres du design pourront être atteints. » (avril 2009) La phase planning pour la remise du Technical Design Report avant fin 2010 a débutée Gouvernement italien => 15 MEuros pour la phase TDR Machine polarisée Forte corrélation avec LC PROJET TRES INTERESSANT qui réuni tous les défis de la physique des accélérateurs et toutes les nouvelles idées…. . 25 • • •

Nouveau design IR • Nouveau design QD 0 • QD 0 & QF 1 sont SC et partagent le même cryostat • Des bobines de compensation ont été incluses M. Sullivan 26

Super. B Collaboration Team CDR M. E. Biagini, M. Boscolo, A. Drago, S. Guiducci, M. Preger, P. Raimondi, S. Tomassini, C. Vaccarezza, M. Zobov (INFN/LNF, Italy) K. Bertsche, Y. Cai, A. Fisher, S. Heifets, A. Novokhatski, M. T. Pivi, J. Seeman, M. Sullivan, U. Wienands, W. Wittmer (SLAC, US), T. Agoh, K. Ohmi, Y. Ohnishi (KEK, Japan), I. Koop, S. Nikitin, E. Levichev, P. Piminov, D. Shatilov (BINP, Russia) A. Wolski (Cockcroft, UK) M. Venturini (LBNL, US) S. Bettoni (CERN, Switzerland) A. Variola (LAL, France) E. Paoloni, G. Marchiori (Pisa University, Italy) D. Alesini, M. E. Biagini, R. Boni, M. Boscolo, A. Clozza, T. Demma, A. Drago, M. Esposito, Gallo, S. Guiducci, V. Lollo, G. Mazzitelli, C. Milardi, L. Pellegrino, M. Preger, P. Raimondi, R. Ricci, C. Sanelli, G. Sensolini, M. Serio, F. Sgamma, A. Stecchi, A. Stella, S. Tomassini, C. Vaccarezza, M. Zobov (INFN/LNF, Italy) K. Bertsche, A. Brachmann, Y. Cai, A. Chao, De. Lira, M. Donald, A. Fisher, D. Kharakh, Krasnykh, N. Li, D. Mac. Farlane, Y. Nosochkov, A. Novokhatski, M. Pivi, J. Seeman, M. Sullivan, U. Wienands, J. Weisend, W. Wittmer, G. Yocky (SLAC, US) A. Bogomiagkov, S. Karnaev, I. Koop, B. E. Levichev, S. Nikitin, I. Nikolaev, I. Okunev, C. P. Piminov, S. Siniatkin, D. Shatilov, V. Smaluk, D. P. Vobly (BINP, Russia) G. Bassi, A. Wolski (Cockroft Institute, UK) S. Bettoni, D. Quatraro (CERN, Switzerland) M. Baylac, J. Bonis, R. Chehab, J. De. Conto, Gomez, A. Jaremie, G. Lemeur, B. Mercier, F. Poirier, C. Prevost, C. Rimbault, Tourres, F. Touze, A. Variola (CNRS, France) A. Chance, O. Napoly (CEA Saclay, France) F. Bosi, E. Paoloni (Pisa University, Italy) TDR 27

Backup slides 28

HER with spin rotator • • W. Wittmer Introduced spin rotators on both sides of IP in HER to provide longitudinal polarized electrons at IP and maintain the chromatic characteristic of the original design necessary for the crab waist scheme, band width and dynamic aperture Bends have opposite sign w. r. t. IP for spin transparency condition New rings layout 29

Polarization in HER U. Wienands • Polarization of one beam is included – either energy beam could be polarized – LER less expensive, HER easier (HER was chosen) • Longitudinal polarization times and short beam lifetimes indicate a need to inject vertically polarized electrons – plan is to use SLC polarized e- gun • There are several possible IP spin rotators: – solenoids look better (vertical bends give unwanted vertical emittance growth) Expected longitudinal polarization at IP ~ 85%(inj) x 95%(ring) = 80%(effective) 30 Spin rotator with solenoids and bends

Super. B Injector layout R. Boni 4 Ge. V 7 Ge. V FLINAC = 2856 MHz 31

Layout: PEP-II magnets reuse Lmag (m) 0. 45 5. 4 Dipoles PEP HER - 194 PEP LER 194 - Available SBF HER - 130 Needed SBF LER 224 18 SBF Total 224 148 Needed 30 0 Quads Lmag (m) 0. 25 0. 5 PEP HER/LER 188 - SBF Total 372 4 Needed 184 4 Sexts Lmag (m) 0. 56 0. 73 0. 43 0. 7 0. 4 PEP HER 202 82 - - - PEP LER - - 353 - - SBF HER 165 108 - 2 2 SBF LER 88 108 165 2 2 SBF Total 253 216 165 4 4 Needed 51* 134 0 4 4 All PEP-II magnets can be used, dimensions and fields are in 32 range RF requirements are met by the present PEP-II RF system

The Super. B accelerator flavour physics • • • Super. B exploits new design approaches: – large Piwinski angle (LPA) scheme allowing for peak luminosity ³ 1036 cm-2 s-1 well beyond the current state-of-the-art, without a significant increase in beam currents or shorter bunch lengths – “crab waist” sextupoles used for suppression of dangerous resonances – low currents, with affordable operating costs and fewer detector backgrounds – polarized electron (positrons? ) beam producing polarized t leptons, opening an entirely new realm of exploration in lepton flavor physics A CDR was published in 2007, a TDR ready by end 2010 Super. B project scrutinized by International Review Committee (chair J. Dainton, 9 members), accelerator by a Mini. Machine Advisory Committee (chair J. Dorfan, 10 members) 33 Both have endorsed the project for Physics program and accelerator feasibility

And so………… 34