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

Abstract

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.