Studies of incoherent effects for the upgrade of the large hardon collider and detector applications

Abstract

Operation of the Large Hadron Collider (LHC) with protons has revealed that different bunches evolve differently mostly due to the interaction between the two colliding beams and due to electron clouds that form inside the vacuum chamber. This thesis studies these effects through modelling with numerical simulations and analysis of the available experimental data. The analysis of the beam loss rates measured during Run 2 of the LHC, and identifies that electron clouds forming in the common beam chamber of the quadrupole magnets near the high-luminosity interaction points are the main cause of beam losses. Moreover, the evolution of the beam observables (beam loss rate and emittance growth) is slow enough that it can only be observed over a timescale that lasts multiple hours. The simulation of such timescales is typically very time-consuming and can become impractical to simulate. In this work, Graphics Processing Units are employed to simulate distributions of particles in parallel for longer timescales (in the order of several tens of minutes). Simulations of the long-term effect of the beam-beam interaction done in the context of this thesis show that under the weak-strong approximation, the qualitative behavior of the beam loss rate evolution is reproduced. Additionally, they showed that the beam-beam interaction by itself does not contribute to emittance growth or to the development of tails in the transverse beam profile distributions. Simulation of the effect of the electron cloud on the slow beam degradation is much more challenging than for the beam-beam interaction. In fact, due to the complex electron distributions that form in the electron cloud, simulations of such effects need special care. Here, a framework for the simulation of slow beam degradation due to electron cloud effects is developed. In this framework, the weak-strong approximation is used to apply the map that describes the interaction with an electron cloud distribution that is at its typical dynamic equilibrium. The electron distribution is calculated with Particle-In-Cell simulations during pre-processing and the scalar potential that describes the interaction is interpolated with a tricubic interpolation scheme in order to preserve the symplectic structure of the map. Moreover, a method is developed to refine the potential in order to combat the limitations of the interpolation scheme. The simulations performed in this work show a clear slow beam degradation due to electron clouds through Frequency Map Analysis, calculation of dynamic aperture, as well as through the estimation of beam loss rates and of slow emittance growth from simulations with particle distributions. In addition, a stochastic and non-linear model for the response of the PICOSEC Micromegas detector is developed in the context of research and development for particle detectors. The presented model is constructed in order to gain insight on the main physical mechanisms causing the previously observed behavior in the response of the detector, found both in measurements and detailed simulations. The developed methods, tools and simulation results provide critical input for the high-luminosity upgrade of the Large Hadron Collider and upgrade of detectors.

Η λειτουργία του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων με πρωτόνια αποκάλυψε ότι οι διαφορετικές υποδέσμες εξελίσσονται με διαφορετικό τρόπο κυρίως λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο συγκρουόμενων δεσμών και λόγω των νεφών ηλεκτρονίων που σχηματίζονται στο εσωτερικό του θαλάμου κενού. Η παρούσα διατριβή μελετά αυτές τις επιδράσεις μέσω μοντελοποίησης με αριθμητικές προσομοιώσεις και ανάλυσης των διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων. Η ανάλυση των ρυθμών απώλειας δέσμης που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του δεύτερου κύκλου λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων, και προσδιορίζει ότι τα νέφη ηλεκτρονίων που σχηματίζονται στον κοινό θάλαμο δέσμης των τετραπολικών μαγνητών κοντά στα σημεία αλληλεπίδρασης υψηλής φωτεινότητας είναι η κύρια αιτία των απωλειών δέσμης. Επιπλέον, η εξέλιξη των παρατηρήσιμων μεγεθών της δέσμης είναι αρκετά αργή ώστε να μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε μια χρονική κλίμακα που διαρκεί πολλές ώρες. Η προσομοίωση τέτοιων χρονικών κλιμάκων είναι συνήθως πολύ χρονοβόρα και μπορεί να καταστεί ανέφικτη η προσομοίωσή τους. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούνται μονάδες επεξεργασίας γραφικών για την παράλληλη προσομοίωση κατανομών σωματιδίων για μεγάλες χρονικές κλίμακες (της τάξης μερικών δεκάδων λεπτών). Οι προσομοιώσεις της μακροχρόνιας επίδρασης της αλληλεπίδρασης δέσμης-δέσμης που έγιναν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής δείχνουν ότι υπό την ασθενή-ισχυρή προσέγγιση αναπαράγεται η ποιοτική συμπεριφορά της εξέλιξης του ρυθμού απώλειας της δέσμης. Επιπλέον, έδειξαν ότι η αλληλεπίδραση δέσμης-δέσμης από μόνη της δεν συμβάλλει στην αύξηση της εκπεμπτικότητας ή στην ανάπτυξη ουρών στις εγκάρσιες κατανομές της δέσμης. Η προσομοίωση της επίδρασης του νέφους ηλεκτρονίων στην αργή υποβάθμιση της δέσμης είναι πιο απαιτητική από ό,τι για την αλληλεπίδραση δέσμης-δέσμης. Λόγω των πολύπλοκων κατανομών ηλεκτρονίων που σχηματίζονται στο νέφος ηλεκτρονίων, οι προσομοιώσεις αυτών των επιδράσεων χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή. Εδώ αναπτύσσεται ένα πλαίσιο για την προσομοίωση της υποβάθμισης της αργής δέσμης λόγω των φαινομένων του νέφους ηλεκτρονίων. Σε αυτό το πλαίσιο, χρησιμοποιείται η ασθενής-ισχυρή προσέγγιση για την εφαρμογή της απεικόνισης που περιγράφει την αλληλεπίδραση με μια κατανομή νέφους ηλεκτρονίων που βρίσκεται στην τυπική δυναμική της ισορροπία. Η κατανομή ηλεκτρονίων υπολογίζεται με προσομοιώσεις σωματίδιο-σε-κελί κατά την προεπεξεργασία και το βαθμωτό δυναμικό που περιγράφει την αλληλεπίδραση παρεμβάλλεται με ένα σχήμα τρικυβικής παρεμβολής προκειμένου να διατηρηθεί η συμπλεκτική δομή της απεικόνισης. Επιπλέον, αναπτύσσεται μια μέθοδος για τη βελτίωση του δυναμικού προκειμένου να καταπολεμηθούν οι περιορισμοί του σχήματος παρεμβολής. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία δείχνουν μια σαφή αργή υποβάθμιση της δέσμης λόγω νεφών ηλεκτρονίων νεφών μέσω της ανάλυσης απεικόνισης συχνότητας, του υπολογισμού του δυναμικού εύρους, καθώς και μέσω της εκτίμησης των ρυθμών απώλειας της δέσμης και της αργής αύξησης της εκπεμπτικότητας από προσομοιώσεις με κατανομές σωματιδίων. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα στοχαστικό και μη γραμμικό μοντέλο για την απόκριση του ανιχνευτή PICOSEC Micromegas στο πλαίσιο της έρευνας και ανάπτυξης για ανιχνευτές σωματιδίων. Το παρουσιαζόμενο μοντέλο κατασκευάζεται με σκοπό να αποκτήσει εικόνα για τους κύριους φυσικούς μηχανισμούς που προκαλούν την παρατηρούμενη συμπεριφορά στην απόκριση του ανιχνευτή, η οποία διαπιστώθηκε τόσο σε μετρήσεις όσο και σε λεπτομερείς προσομοιώσεις. Οι μέθοδοι, τα εργαλεία και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν παρέχουν κρίσιμες πληροφορίες για την αναβάθμιση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων με υψηλή φωτεινότητα και την αναβάθμιση των ανιχνευτών.