Bunch characteristics evolution for lepton and hadron rings under the influence of the intra-beam scattering effect

Abstract

The physical parameter quantifying particle events' production and thereby the performance of a collider is the luminosity. High luminosities are reached by increasing the beam brightness, i.e. the intensity on a specific phase space volume (emittance). In this respect, the luminosity of hadron and lepton rings is limited by a combination of collective effects causing particle losses and emittance growth. In particular, Intra-beam scattering (IBS) impacts beam quality, through emittance growth. Several IBS theoretical models and their approximations exist, all assuming Gaussian beams. This thesis elaborates the optimization of the lattice design for a lepton ring and the study of the bunch characteristics evolution for a hadron ring, under the influence of IBS. Taking into account IBS, based on analytical results and numerical simulations, the optics design optimization is presented for the damping rings (DRs) of the Compact Linear Collider (CLIC). Specifically, aiming to reduce the betatron emittance of the DRs, dipoles whose magnetic field varies longitudinally are used together with high-field SC wigglers. Based on measurements and Monte-Carlo simulations, the interplay between IBS and radiation effects is also studied for the Large Hadron Collider (LHC), in view of understanding the bunch parameters evolution that determine the delivered luminosity. For the LHC bunch profiles which are observed to be non-Gaussian along the LHC energy cycle, appropriate fitting functions are used in order to describe accurately the distributions. In addition, the impact of the non-Gaussian distributions on the estimation of the beam size and thus, of the luminosity is studied. The importance to develop analytical formulas and simulation tools that calculate IBS for any distribution is underlined.

Η φυσική παράμετρος που ποσοτικοποιεί την παραγωγή των γεγονότων σωματιδίων και συνεπώς την απόδοση ενός επιταχυντή είναι η φωτεινότητα. Υψηλές φωτεινότητες επιτυγχάνονται αυξάνοντας τον πληθυσμό σωματιδίων σε συγκεκριμένο όγκο του φασικού χώρου (εκπεμπτικότητα - emittance) της δέσμης. Η φωτεινότητα των επιταχυντικών δακτυλίων λεπτονίων και αδρονίων περιορίζεται από ένα συνδυασμό φαινομένων που προκαλούν απώλειες σωματιδίων και αύξηση της emittance. Συγκεκριμένα, η ενδο-δεσμική σκέδαση (intra-beam scattering - IBS) επηρεάζει την ποιότητα της δέσμης, μέσω της αύξησης της emittance. Τα υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα της IBS και οι προσεγγίσεις τους, θεωρούν πως οι δέσμες είναι και παραμένουν Γκαουσιανές. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της οπτικής του μαγνητικού πλέγματος για ένα δακτύλιο λεπτονίων και τη μελέτη της εξέλιξης των χαρακτηριστικών της δέσμης για ένα δακτύλιο αδρονίων, υπό την επίδραση της IBS. Λαμβάνοντας υπόψη την IBS, βάσει αναλυτικών αποτελεσμάτων και αριθμητικών προσομοιώσεων, μελετήθηκε η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού της οπτικής για τους δακτυλίους απόσβεσης (Damping Ring - DR) του Γραμμικόυ Συμπαγή Συγκρουστήρα (Compact Linear Collider - CLIC). Συγκεκριμένα, με στόχο τη μείωση της emittance των DRs, χρησιμοποιούνται δίπολα των οποίων το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται διαμήκως, σε συνδυασμό με υπεραγώγιμους συστρεφόμενους μαγνήτες απόσβεσης υψηλού πεδίου. Επίσης, βάσει μετρήσεων και προσομοιώσεων Monte-Carlo, μελετάται η αλληλεπίδραση μεταξύ της IBS και φαινομένων ακτινοβολίας για τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider - LHC), ώστε να κατανοηθεί η εξέλιξη των παραμέτρων της δέσμης που καθορίζουν την παραγόμενη φωτεινότητα. Για τις κατανομές των δεσμών σωματιδίων του LHC, οι οποίες παρατηρούνται να είναι μη Γκαουσιανές κατά τον κύκλο ενέργειας του LHC, χρησιμοποιούνται κατάλληλες συναρτήσεις κατανομών για την ακριβή περιγραφή τους. Επιπλέον, ερευνώνται οι επιπτώσεις των μη Γκαουσιανών κατανομών στην εκτίμηση του μεγέθους της δέσμης και συνεπώς της φωτεινότητας. Τέλος, υπογραμμίζεται η σημασία της ανάπτυξης αναλυτικών τύπων και εργαλείων προσομοίωσης που υπολογίζουν την IBS για οποιαδήποτε κατανομή.