Message from Director General: 2 Months at 3.5 TeV

News: 2 June 2010

Message from the Director General:
2 Months at 3.5 TeV

Two months is a very short time in the life of a major particle physics project, but a lot can happen in that time as the LHC has shown since 30 March. Colliding beams at 3.5 TeV was an important milestone, a start to the LHC physics programme, but it was just a single step on a very long journey. Since then, we’ve lengthened our stride, and are progressing well towards the key objectives for 2010.

The next major milestone came on 19 April with a ten-fold increase in luminosity – in other words, the machine started delivering ten times as many collisions to the experiments in a given period of time than had previously been possible. This came about thanks to two simultaneous developments: firstly the number of particles in each bunch was doubled, and secondly the beam size at the interaction point was squeezed down. The term you’ll hear used to describe the beam size at the interaction point is called beta-star, and the smaller the beta, the better. Before squeeze, beta is 11 m at ATLAS and CMS. The ultimate goal is to reduce it to 0.55 m. Today, we’re running with a beta of 2 m. That may not sound very small, and that’s because it’s not the size of the beam: beta is the distance from the interaction point that the beam is twice the size it is at the interaction point. What’s important for physics is that the lower the beta, the smaller the beam at the interaction point. With beta of 2 m, the beam is just 45 microns across at the interaction point, a quarter the width of a human hair, and its cross section is about five times smaller than with a beta of 11 m.

Four weeks of running under these conditions led to significant quantities of data being accumulated by the experiments, and then came the next big step. Over the weekend of 22 May, we started to run with 13 bunches in each beam.

The first collisions on 30 March were done with one bunch per beam, and the ultimate goal is to reach 2808, so there’s still some way to go. Nevertheless, we set a new luminosity record that weekend of 2 × 1029. To put that in context, we achieved 1027 on 30 March, the design figure for the LHC is 1034 and the objective for 2010 is to reach 1032.

All this was achieved during physics running, leading to incredible progress being made by the experiments. They have been running with 90% efficiency, a remarkable achievement for devices of such complexity. Billions of collisions have been recorded and successfully dispatched for analysis via the LHC Computing Grid. The rediscovery of the Standard Model, which is necessary before we can confidently say we’re ready for new physics, is well underway. There are even some intriguing observations about the properties of collisions at this new energy. As a measure of their success to date, the experiments have already published or submitted over a dozen papers to peer reviewed journals and conferences based on LHC collision data.

Physics running is interspersed with periods of machine development essential for further progress to be made. As a foretaste of what the experiments can expect over the next two months, the LHC operations team has notched up some impressive results over the last few machine development sessions. The first of these was to inject bunches with more than the LHC’s design intensity and collide them at 450 GeV. There’s nothing new about 450 GeV, but it’s an important milestone nevertheless since the difficulty of colliding bunches increases with intensity. By comparison, adding extra bunches is a relatively easier task. The icing on the cake of last week’s machine development came when design intensity bunches were brought into collision at 3.5 TeV on 26 May.

Behind this great progress is a guiding principle of caution. The masters of ceremony are those responsible for the systems that protect the LHC and the experiments from stray beam particles. Collimators absorb particles that wander from their intended orbits before they can impinge on LHC magnets or sensitive detector elements, while the LHC beam dump system is there to extract the beams safely in case of need. Any increase in intensity has to be approved by the LHC machine protection teams, and progress is incremental. Each increase in intensity, and therefore stored energy in the machine, is a learning process for the machine protection teams and only when they are ready do increases in intensity happen.

With all eyes on the amount of data being delivered to the experiments, it would be easy to overlook some of the pioneering systems that make the LHC possible. When I asked someone in the CERN Control Centre last week about the cryogenics, they replied that it’s working so well they’d almost forgotten it was there. For the operators of the world’s largest cryogenic installation that’s quite a compliment. And for anyone wondering whether large-scale cryogenics may have broader applications, the LHC is proving to be an interesting test case.

The same goes for the vacuum systems. Beam lifetimes of 1000 hours have been posted, which is truly exceptional for any particle accelerator. Of course, we don’t keep beams for that long: there are many reasons why beams are extracted long before they reach their theoretical lifetimes. So far in the LHC, the longest fill for physics has been 30 hours, which well exceeds my expectations for the first months of running.

A lot can happen in two months, and we are well on course to achieving our 2010 objectives for the LHC. The fact that the LHC’s availability for operation is already over 60% is testimony to the skills and professionalism of all those who operate the machine and its supporting infrastructure, and it is perhaps the one statistic that has made all the others possible. As I write, we’ve recently completed a rather frustrating weekend, with a short circuit in a cable terminal of an electrical cabinet stoping us from running. By Monday morning, however, we’d recovered and will resume LHC running tomorrow after a scheduled technical stop. Glitches such as this are a fact of life in a working lab, and do not detract from the fact that we have much to be pleased with from these two months. As the figures I’ve quoted above illustrate, however, we still have a long way to travel. My congratulations go to all involved with this great scientific adventure.

Rolf Heuer

Message du Directeur général :
2 mois à 3,5 TeV

Deux mois, c’est très court dans la vie d’un grand projet de physique des particules. Et pourtant, il peut s’en passer des choses en si peu de temps, comme l’a montré le LHC depuis le 30 mars. Si les collisions de faisceaux à 3,5 TeV ont marqué une étape majeure - le coup d’envoi du programme de physique au LHC - ce n’était toutefois que la première d’un long chemin à parcourir. Depuis, nous sommes passés à la vitesse supérieure et progressons à grands pas vers nos objectifs clés pour 2010.

Une autre étape importante a été franchie le 19 avril avec l’augmentation d’un facteur 10 de la luminosité – autrement dit, la machine a commencé à fournir aux expériences dix fois plus de collisions en un temps donné qu’auparavant. Cette augmentation a été rendue possible par deux améliorations simultanées : le nombre de particules dans chaque paquet a été doublé et la taille du faisceau au point d’interaction a été réduite. Pour rendre compte de la taille du faisceau au point d’interaction, on utilise la valeur * (bêta*). Idéalement, cette valeur doit être la plus petite possible. Avant compression du faisceau, elle est égale à 11 m à ATLAS et à CMS. L’objectif ultime est de la ramener à 0,55 m. Actuellement, l’accélérateur est exploité avec une valeur bêta de 2 m. Cela peut sembler encore grand, mais, en fait, il ne s’agit pas de la taille du faisceau, mais de la distance par rapport au point d’interaction du point où le faisceau a une taille deux fois plus grande qu’au point d’interaction. L’essentiel ici est que plus la valeur bêta est faible, plus la taille du faisceau au point d’interaction est petite. Avec une valeur bêta de 2 m, le faisceau a un diamètre de 45 microns seulement au point d’interaction, soit un quart de l’épaisseur d’un cheveu, et sa section transverse est environ cinq fois plus petite qu’avec une valeur bêta de 11 m.

Quatre semaines d’exploitation dans ces conditions ont permis aux expériences de collecter un très grand nombre de données. C’est alors qu’a été franchie une nouvelle grande étape. Au cours du week-end du 22 mai, l’exploitation avec 13 paquets par faisceau a commencé.

Les premières collisions avec un paquet par faisceau ont eu lieu le 30 mars, l’objectif final étant de parvenir à 2808 paquets par faisceau : la route est donc encore longue. Toutefois, un nouveau record de luminosité a été établi ce week-end là avec 2 × 1029. Pour rappel, la luminosité obtenue le 30 mars était de 1027, la luminosité nominale du LHC est de 1034 et l’objectif pour 2010 est de parvenir à 1032.

Cette exploitation pour la physique a permis aux expériences de réaliser des progrès incroyables. Leur efficacité a atteint 90%, un résultat remarquable pour des instruments d’une telle complexité. Des milliards de collisions ont été enregistrées et distribuées avec succès via la Grille de calcul pour le LHC en vue d’être analysées. La redécouverte du modèle standard, étape indispensable pour pouvoir aborder sereinement une nouvelle physique, est en bonne voie. Des observations très intéressantes ont même été faites sur les propriétés des collisions à cette nouvelle énergie. Preuve de leurs bons résultats, les expériences ont déjà présenté plus d’une dizaine d’articles sur les données issues des collisions au LHC à des revues scientifiques avec comité de lecture et à des conférences.
L’exploitation pour la physique est ponctuée de périodes de développement de la machine qui sont essentielles pour pouvoir réaliser d’autres progrès. L’équipe chargée de l’exploitation du LHC a obtenu quelques résultats impressionnants au cours des dernières sessions de développement de la machine, avant-goût de ce que peuvent espérer les expériences durant les deux prochains mois. Tout d’abord, elle a réussi à injecter des paquets avec une intensité supérieure à l'intensité nominale du LHC et à les faire entrer en collision à 450 GeV. Certes, 450 GeV n’a rien d’exceptionnel, mais il s’agit d’une étape importante, la difficulté de faire entrer des paquets en collision augmentant avec l’intensité. En comparaison, l’adjonction de paquets supplémentaires est une tâche relativement facile. Cerise sur le gâteau, le 26 mai, lors de la dernière session de développement de la machine, on a fait entrer en collision des paquets d’intensité nominale à 3,5 TeV.

Ces progrès importants obéissent à un mot d’ordre : la prudence. Les responsables des systèmes destinés à protéger le LHC et les expériences des particules parasites sont en effet les véritables maîtres de cérémonie. Les collimateurs absorbent les particules qui s'éloignent de leur orbite prévue avant qu’elles n’affectent les aimants du LHC ou des éléments sensibles des détecteurs, alors que le système d’absorption du LHC est là pour extraire si nécessaire les faisceaux en toute sécurité. Toute augmentation de l’intensité doit être approuvée par les équipes chargées de la protection du LHC et être graduelle. À chaque augmentation de l’intensité, et donc, de l’énergie stockée dans la machine, les équipes de protection de la machine en apprennent un peu plus sur elle. Avant d’augmenter l’intensité, il faut donc attendre leur feu vert.

La quantité de données fournie aux expériences pourrait nous faire oublier certains des systèmes novateurs qui permettent au LHC de fonctionner. Lorsque j’ai demandé la semaine dernière au Centre de contrôle du CERN des nouvelles du système cryogénique, on m’a répondu qu’il fonctionnait si bien qu’on avait presque oublié son existence. Pour les opérateurs de la plus grande installation cryogénique du monde, c’est vraiment un compliment. Et pour tous ceux qui se demandent si la cryogénie à grande échelle peut avoir des applications plus vastes, le LHC aura valeur de test.

Il en va de même pour les systèmes de vide. Des durées de vie du faisceau de 1000 heures ont déjà été enregistrées, ce qui est vraiment exceptionnel pour un accélérateur de particules, quel qu’il soit. En fait, nous ne gardons pas de faisceaux si longtemps : il existe en effet de nombreuses raisons pour lesquelles on extrait des faisceaux bien avant qu’ils atteignent leur durée de vie théorique. Jusqu’à présent, le plus long remplissage pour la physique a duré 30 heures dans le LHC, ce qui dépasse largement mes attentes pour les premiers mois d'exploitation.

Bien des choses peuvent arriver en deux mois, et nous sommes en bonne voie d’atteindre nos objectifs pour 2010 concernant le LHC. Le fait que la disponibilité de fonctionnement du LHC dépasse déjà les 60 % témoigne des compétences et du professionnalisme de toutes les personnes qui exploitent la machine et son infrastructure, et ce résultat est peut-être celui qui a permis d’obtenir tous les autres. À l’heure où j’écris ces lignes, nous venons de connaître un week-end un peu frustrant : un court-circuit dans une extrémité de câble d’une armoire électrique nous a empêchés d’exploiter la machine. La situation a été toutefois rétablie dès lundi matin et nous reprendrons demain l'exploitation du LHC après un arrêt technique qui était de toute façon programmé. Ces petits incidents sont inévitables dans un laboratoire et ne gâchent en rien les deux excellents mois que nous venons de vivre. Pour autant, comme l’illustrent les chiffres mentionnés plus haut, la route est encore longue. J’adresse mes félicitations à tous ceux et celles qui participent à cette grande aventure scientifique.

Rolf Heuer

ENDS

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