The Mu2e Project Ron Ray Mu2e Project Manager 12/15/10 R. Ray - PowerPoint PPT Presentation

The Mu2e Project Ron Ray Mu2e Project Manager 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 1 ¡

Science of Mu2e • Mu2e is designed to search for the conversion e -­‑ ¡ µ -­‑ ¡ X ¡ of a muon to an electron in the field of an aluminum nucleus • This would be an example of Charged Lepton Flavor Violation , which has never been observed. Coherent ¡recoil ¡of ¡nucleus ¡ • Neutrino oscillations, an example of Neutral Lepton Flavor Violation, is the most important discovery in our field over the past decade. • Based on the physics that we know about, that includes neutrino oscillations, Charged Lepton Flavor Violation is effectively forbidden. • Observation of Charged Lepton Flavor Violation would be a definitive sign of new physics. • Most of the models for the new physics that we could discover at the LHC predict muon conversion at rates that can be observed by Mu2e • Mu2e is a way of indirectly searching for new physics and for helping to interpret new discoveries that may be made at the LHC. 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 2 ¡

Location 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 3 ¡

Solenoids • Sign/momentum ¡SelecLon ¡ • NegaLve ¡Axial ¡Gradient ¡in ¡S.S. ¡to ¡suppress ¡ trapped ¡parLcles ¡ 8 ¡GeV ¡P ¡ • Transport ¡Solenoid ¡ • Detector ¡Solenoid ¡ • Produc,on ¡Solenoid ¡ • 8 ¡GeV ¡P ¡hit ¡target. ¡ Reflect ¡and ¡focus ¡ π / µ ’s ¡into ¡muon ¡ transport ¡ • Strong ¡Axial ¡ Gradient ¡Solenoid ¡ Field ¡ • Graded ¡field ¡to ¡collect ¡conv. ¡e -­‑ ¡ 24 ¡meters ¡ • Uniform ¡field ¡for ¡e -­‑ ¡ Spectrometer ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 4 ¡

Components Provided by Industry • Production Solenoid • Detector Solenoid • Magnet components for Transport Solenoid • Cryogenic Distribution  Cryogenic Feedbox  HTS Power leads (LHe to Room temperature current transition)  Superconducting link from magnet to Feedbox • Cryoplant • Power Converters and energy extraction Circuits 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 5 ¡

Production Solenoid  Axially Graded Field: 5 T - 2.5 T  Wide aperture 1.5 m, 4 m long  Large stored energy (~100MJ)  There’s a target in the aperture…  25 kW off target, 25-50W into coils…depending on absorber design  Heat load and Radiation issues on conductor, insulator and stabilizers.  Strong Magnetically Coupled with Iron and TS  Unlike typical detector solenoids significant axial forces >100 T. ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 6 ¡

Production Solenoid • Gradient made by 3 axial coils with same turn density but increasing # of layers (2,3,4) • Wound on individual bobbins • High Current/low inductance • Efficient energy extraction • Less layers: simplify winding, minimize thermal barriers from conductor to cooling channels. • Operation @ ~10 kA • Aluminum stabilized NbTi  reduce weight and nuclear heating  Indirect cooling 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 7 ¡

Detector Solenoid Very large magnet! Two functions: • Axial Gradient Field for particle collection (2T - 1T) • Uniformity of axial gradient along axis: 5% • Uniform field for spectrometer and calorimeter • Field uniform to 1% • Like PS, significant Axial Forces between Iron, DS and TS ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 8 ¡

Detector Solenoid • “Gradient field” and “uniform field” coils wound on separate bobbins  Place in “single cryostat” • Use Al stabilized NbTi conductor  More experience with detector solenoid vendors  Considerably less weight • Two layer coils throughout  Achieve axial gradient by effectively changing winding density by introducing spacers. 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 9 ¡

Transport Solenoid • Unusual field requirements  “S”-shaped to reduce line of sight PS to DS; momentum selection  Negative axial gradient in straight sections to prevent trapped/out of time particles • Effect of magnetic coupling between TSn and PS/DS and S shape:  significant non-axial excitation forces  complicated stresses during cooldown • Removable TS3 to service collimator and vacuu m ¡break ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 10 ¡

Transport Solenoid 15 0 ¡ ¡ 20 0 ¡ ¡ 20 0 ¡ ¡ 20 0 ¡ ¡ 15 0 ¡ ¡ • Conductor ¡in ¡copper ¡channel ¡ • Commercially ¡available ¡ • SecLons ¡welded ¡or ¡bolted ¡ together ¡ • Coils ¡bussed ¡in ¡series ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 11 ¡

Cryogenic Distribution Requirements: • Interface between Cryoplant and Superconducting Magnets • Supply 4.5K LHe for indirect cooling of magnets • 80K gaseous Helium for cryostat shields Components: • Cryogenic Distribution Boxes • HTS Power Leads • Superconducting Links from magnet to Feedbox 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 12 ¡

Cryogenic Design Cryo ¡DistribuLon ¡Box ¡SchemaLc ¡ Model ¡of ¡Cryo ¡DistribuLon ¡ Cryogenic ¡ link ¡ DistribuLon ¡boxes ¡ Magnet ¡Cooling ¡SchemaLc ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 13 ¡ 13 ¡

Superconducting Links • Solenoids will be located in underground experimental hall • Distribution Boxes will be in surface building for easy access  Superconducting links are required • Requirements:  Approximately 15 m from Distribution box to Solenoids  Approximately 250 mm diameter  Low heat leak • Contains:  SC bus  4.5 K LHe supply and return  80 K GHe supply and return  Magnet instrumentation and voltage taps 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 14 ¡

HTS Leads • HTS Leads have been proven to be a reliable cryogenic- to-room-temperature connection at both low and high currents • Current requirements range from 500 A to 10 kA • Upper (non-HTS) portion can be Helium or Nitrogen cooled • We are analyzing the current requirements to see if existing commercial leads in our possession can be adapted for our application 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 15 ¡

Cryo Plant • Cold helium is required for  Indirect Cooling of superconducting Solenoids (4.5K) • Static heat load from cryostats • Dynamic Heat load from primary target radiation • Shielding for cryostat and transfer lines (80K) • Preliminary estimates for helium refrigeration requirements are  ~400 W to 4.2 K  ~1500 W to 80K • Requirements are match to Fermilab “satellite refrigerators” but will require additional cold box with LN2 for 80K shield  Will do study to look at cost effectiveness of moving, refurbishing, adapting existing Fermilab refrigerators + 80K cold box vs. “get what you really want” from Industry 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 16 ¡

Power System • Several power converters required ranging from 500 A to 10 kA • Dump resistors Permanently connected to magnets  Air cooled  Discharge time matched for all circuits  Recovery time after fast dump < 5 hours  • Quench detectors  Redundant voltage taps on every transition and internal splice • Grounding circuit • Controls system 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 17 ¡

Schedule Received ¡CD-­‑0 ¡ ¡ in ¡Nov. ¡2009 ¡ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 18 ¡

Conclusion • Mu2e is an important “Intensity Frontier” experiment for the Fermilab High Energy Physics Program for the 2010’s. • Several challenging magnet and cryogenic components are needed. • Industrial participation is essential in making this project a success. • We look forward to working with you! • Questions: Please contact us by email:  Ron Ray – Project Manager – rray@fnal.gov  Mike Lamm – Solenoid System Manager - Lamm@fnal.gov  Our website: http://mu2e.fnal.gov/ 12/15/10 ¡ R. ¡Ray ¡-­‑ ¡Mu2e ¡ 19 ¡