LHC luminosity upgrade project moving to next phase

29 oktober 2015

CERN press release / Nikhef-nieuwsbericht

This week more than 230 scientists and engineers from around the world met at CERN  to discuss the High-Luminosity LHC – a major upgrade to the Large Hadron Collider (LHC) that will increase the accelerator’s discovery potential from 2025.  

After a four year long design study the project is now moving into its second phase, which will see the development of industrial prototypes for various parts of the accelerator.

Luminosity is a crucial indicator of performance for an accelerator. It is proportional to the number of particles colliding within a defined amount of time. Since discoveries in particle physics rely on statistics, the greater the number of collisions, the more chances physicists have to see a particle or process that they have not seen before.

The High-Luminosity LHC will provide more accurate measurements of fundamental particles and enable physicists to observe rare processes that occur below the current sensitivity level of the LHC. With this upgrade, the LHC will continue to push the limits of human knowledge, enabling physicists to explore beyond the Standard Model and Brout-Englert-Higgs mechanism.

“The LHC already delivers proton collisions at the highest energy,” says Director General of CERN, Rolf Heuer. “The High-Luminosity LHC expects to produce 10 times more collisions over 10 years than the current LHC will in its first decade, and will therefore increase our potential to make discoveries."

The increase in luminosity will mean physicists will be able to study new phenomena discovered by the LHC, such as the Higgs boson, in more detail.
The High-Luminosity LHC will produce 15 million Higgs bosons per year compared to the 1.2 million in total created at the LHC between 2011 and 2012.

Upgrading the LHC will be a challenging procedure and relies on several breakthrough technologies currently under development.

“We have to innovate in many fields, developing cutting-edge technologies for magnets, the optics of the accelerator, superconducting radiofrequency cavities, and superconducting links,” explains Lucio Rossi, Head of the High-Luminosity LHC project.

Some 1.2 km of the LHC will be replaced by these new technologies, which include cutting-edge 12 Tesla superconducting quadrupole magnets built using a superconducting compound of niobium and tin. These will strongly focus the beam to increase the probability of collisions occurring and will be installed at each side of the ATLAS and CMS experiments.

There are also brand new superconducting radiofrequency cavities, called “crab cavities”, which will be used to orientate the beam before the collision to increase the length of the area where the beams overlap. New electrical transfer lines, based on high temperature superconductors, will be able to carry currents of record intensities to the accelerator, up to 100,000 amps, over 100 metres.

“The High-Luminosity LHC will use pioneering technologies – such as high field niobium-tin magnets – for the first time,” says Frédérick Bordry, CERN Director for Accelerators and Technology. “This will not only increase the discovery potential of the LHC but also serve as a proof of concept for future accelerators.”

All these technologies have been explored since 2011 in the framework of the HiLumi LHC Design Study – partly financed by the European Commission’s FP7 programme. HiLumi LHC brought together a large number of laboratories from CERN’s member states, as well as from Russia, Japan and the US. American institutes participated in the project with the support of the US LHC Accelerator Research Program (LARP). Some 200 scientists from 20 countries collaborated on this first successful phase.

The meeting this week marks the end of this hugely complex and collaborative design phase of the High-Luminosity LHC project. The project will now focus on the prototyping and industrialization of the technologies before the construction phase can begin.

Nederlandse bijdrage aan LHC experimenten
Nikhef levert een bijdrage aan drie van de vier grote experimenten van de LHC, namelijk ALICE, ATLAS en LHCb.

ATLAS
Nikhef’s bijdrage aan ATLAS focust zich op de grote muonkamers, de sporendetector en de uitlees-electronica. Nikhef is actief binnen de analyse van het higgsboson en de zoektocht naar nieuwe deeltjes die een verklaring kunnen zijn voor donkere materie.

LHCb
Nikhef’s bijdrage aan LHCb focust zich op de Vertex Detector, de grote dradenkamers en de trigger. Het onderzoek betreft in hoofdlijnen de speurtocht naar de materie vs. antimaterie asymmetrie in de natuur.

ALICE
Nikhef’s bijdrage aan ALICE focust zich op drie onderdelen van het onderzoek: het meten van het collectieve gedrag/de collectieve flow, het energieverlies van zware quarks en de vraag hoe jets gemodificeerd worden in het Quark-Gluon Plasma.

Nicolo de Groot, co-programmaleider ATLAS op Nikhef: “De eerste run van de LHC bracht ons de ontdekking van het Higgs-boson. Nu zijn we bezig, met hogere energie om het Higgs-boson te bestuderen en te zoeken naar donkere materie. Met de HL-LHC zullen we echt alles uit de LHC halen en zeldzame processen met higgsdeeltjes en hopelijk ook van donkere materie bestuderen. De intensiteit van de machine zal zo zijn dat een deel van de huidige detector niet meer zal voldoen. We zijn dan ook nu al druk bezig met het ontwerp van nieuwe detector-onderdelen.”

Marcel Merk, programmaleider LHCb op Nikhef: "Ik kijk vol spanning uit naar het moment dat we de HL-LHC kunnen gebruiken om te speuren naar materie- of krachtdeeltjes met een massa ver voorbij de energielimiet van de versnellerbundels. De LHCb-collaboratie is al begonnen de benodigde aanpassingen aan de detector te onderzoeken om in de periode na 2025 ultra-precieze metingen uit te voeren aan quarks en leptonen.”

Stan Bentvelsen, directeur Nikhef: “In de wetenschap dat er nog zoveel materie in ons heelal onbekend is, blijft de speurtocht naar de bouwstenen van de natuur geweldig spannend. Hoewel het Higgs gesignaleerd is, hebben we bij de LHC nog maar het tipje van de sluier opgelicht. Met de grote hoeveelheid botsingen in het verschiet kan LHC een aantal ontdekkingen doen die ons begrip van de werking van het universum radicaal kan veranderen.”

Het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef is een samenwerkingsverband tussen de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en vier universiteiten: de Radboud Universiteit, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Vrije Universiteit Amsterdam. FOM maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Meer informatie:
Afdeling Wetenschapscommunicatie Nikhef – mail – 020-5925075
Prof. Dr. Stan Bentvelsen – mail – 020-5925001