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

2. 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

3. 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

4. La Física Nuclear en el siglo XXI
A finales de los 90, diversos foros internacionales (OCDE Megascience Forum
y NuPECC) recomiendan proseguir intensamente las investigaciones en Física
Nuclear utilizando las siguientes herramientas:
 haces de núcleos exóticos (10 MeV – 1 GeV)
 haces de electrones (10 – 30 GeV)
FAIR
 haces de hadrones π, Κ, µ, ν, anti-p (1 – 50 GeV)
 haces de iones pesados estables (10 A GeV – 3 A TeV )
J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘04

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

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

7. 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

8. Posibilidades experimentales
SIS100, SIS300:
Iones estables con Z=1-92
y energías hasta 30 A GeV
SFRS:
Producción y separación de
GSI actualmente SIS100, SIS300 núcleos exóticos
CR:
Almacenamiento y medidas de
precisión con núcleos exóticos
SFRS RESR:
Almacenamiento de anti-p y
RESR HESR Deceleración de núcleos exóticos
CR
NESR:
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

9. Requisitos experimentales
Energía Intensidad Intensidad Estructura
de pico media del pulso
Núcleos 1-2 A GeV 1012 por ciclo 1012 por seg. < 50 ns
exóticos Z=1-92 para anillos
Anti(p) 30 GeV 2.5 1013 < 50 ns
por ciclo
Iones U, 23 A GeV 109 por seg.
pesados Ne, 30 A GeV
Física de 2 1012 por ciclo 100 - 50 ns
Plasma
Física 1 - 23 A GeV 109 por seg.
Atómica
- 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

10. 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

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

12. FAIR: principales hitos
1995-99 Discusiones sobre el futuro de la Física Nuclear (OCDE Megascience Forum, NuPECC)
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 MoU FAIR
J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘04

13. Comité de dirección de FAIR
ISC
Internat. Steering Committee
H.Schunck
AFI Working Group
STI Working Group
Administrative and Funding
Scientific + Technical Issues
Issues
Sidney Gales
H.F.Wagner
PAC QCD E.Chiavassa
PAC NUSTAR R.Casten FAIR Project
PAC APPA D.Schwalm
TAC Yanglai Cho
Zur Anzeige wird der QuickTime™
Observers: Dekompressor „TIFF (Unkomprimiert)“
benötigt.
J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘04

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

15. 2006 2007 2008 2009 2010 201 2012 2013 2014
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
General Planning SIS18 Upgrade
70 MW Connection 2,7x1011 /s 238U28+ (200 MeV/u)
I Proton-Linac 5x1012 protons per puls
Civil Construction 1 SIS100/300 Tunnel, SIS Injection+Extraction+Transfer
SIS100
Transfer Line SIS18-SIS100 Transfer Buildings/Line Super-FRS,
II High Energy Beam Lines Auxiliary Bldgs., Transfer Tunnel to SIS18,
Building APT, Super-FRS, CR-Complex
Civil Construction 2 RIB High+Low Energy Branch,
RIB Prod.-Target, Super-FRS 1x1011/s 238U28+ (0.4-2.7GeV/u)
RIB High+Low Energy Branch ->RIB (50% duty cycle)
Antiproton Prod.-Target 2.5x1013 p (1-30 GeV)
III CR-Complex 3-30 GeV pbar->fixed target
10.7 GeV/u 238U -> HADES*
Civil Construction 3
CBM-Cave, Pbar-Cave, Reinjection SIS100
HESR &. 4 MV e- –Cooling
In NESR
IV
s
HESR ( ground level),
on :
th
m cy
NESR, AP-cave,
Civil Construction 4
a
e-A Collider, PP-cave
-8 r
6 ccu
1x1012/s 238U28+
SIS300* 100% duty cycle
A
8 MV e- –Cooling pbar cooled
V e-A Collider p (1-90 GeV)
35 GeV/u 238U92+
NESR physics
plasma physics
Civil Construction
Civil Construction Production and Installation Experiment Potential *SIS300 installation together with SIS100

16. Coste estimado del proyecto
Costes estimados en el “Conceptual Desgin Report”
Finance Plan Accumulated
Edificios e infraestructuras: 225 Mio. € 200,0
180,0
FAIR Project Funds Federal Gov.
Aceleradorr: 265 Mio. € 160,0
International Contributions
140,0 FAIR Project Funds Hessen
Dispositivos experimentales: 185 Mio. €
Helmholtz: Major Investments
120,0
GSI Redirected Funds
100,0
Personal: 185 Mio. € 80,0
60,0
40,0
Total (incluyendo inflación): 1020 Mio. € 20,0
0,0
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘04

17. 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 MoU 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

18. Interés científico de España en FAIR
- Centro de Investigaciones Medioambientales
y Tecnológicas
- Instituto de Estructura de la Materia (CSIC)
- Instituto de Física Corpuscular (CSIC)
- Universidad Autónoma de Madrid
Física de - Universidad Complutense de Madrid
Plasma - Universidad de Granada
- Universidad de Huelva
- Universidad Politécnica de Cataluña
- Universidad de Santiago de Compostela
- Universidad de Sevilla
NUSTAR PANDA
- Universidad de Valencia
núcleos anti-p
- Universidad de Castilla la Mancha
- Universidad Politécnica de Valencia
exóticos
- Instituto de Matemática y Física Aplicada
Física de - Universidad Nacional de Educación
Atómica a Distancia
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19. 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
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20. Interés tecnológico/industrial de España en FAIR
Super-FRS
- dipolos superconductores
CR - cuadrupolos resistivos
- cámaras de vacío
- sistema criogénico
- fuentes de alimentación
RESR
NESR
J. Benlliure UPC, Diciembre. ‘04

21. Esquema del NESR
Anillo de electrones:
Anillo de electrones:
Circunferencia
Circunferencia 45.22 m
45.22 m
Energía de los e 200-500 MeV
--
Energía de los e 200-500 MeV
NESR:
NESR:
Circunferencia 222.11 m
Circunferencia 222.11 m
Rigidez magnética max. 13 Tm
Rigidez magnética max. 13 Tm
Velocidad de subida 1 T/s
Velocidad de subida 1 T/s
Rango de energía:
Rango de energía:
iones
iones 4 – 840 MeV/u
4 – 840 MeV/u
anti-p
anti-p 30 MeV – 3 GeV
30 MeV – 3 GeV
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22. NESR: características ópticas
perfil del haz y función de dispersión
Aceptancia horizontal/vertical [mm mrad] 160/100
Aceptancia en momentum [%] ±1.75
Ajuste horizontal/vertical 3.4/3.2
Energía de transición 5.74
Dispersión máxima [m] 7.24
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23. NESR: características de los elementos magnéticos
Dipolos
Dipolos Cuadrupolos (tipo ESR)
Cuadrupolos (tipo ESR)
Número 24
Número 32 (8/24)
Campo máximo 1.6 T
Gradiente máximo del 3.95/4.8 T/m
Campo mínimo 0.06 T fcampo
Velocidad de subida 1 T/s Gradiente mínimo del 0.15/0.18 T/m
∆B máximo 1.5 T campo
Radio de curvatura 8.125 m Campo máximo 0.51/0.61 T
Angulo de deflexión 15° Campo mínimo 0.019/0.023 T
Longitud efectiva 2.128 m Longitud efectiva 1.24/0.82 m
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
Retos tecnológicos en rojo !
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24. 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

25. 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

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