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CONSTRUCTION AND PERFORMANCE OF IP OPTICS TUNING KNOBS IN THE LHC
S. M. White, R. Tomas Garcia, G. Vanbavinckhove, W. Venturini-Delsolaro CERN-ATS-2010-095 Presented at : 1 rst International Particle Accelerator Conference (IPAC 2010) May 23-28, 2010, Kyoto, Japan Geneva, Switzerland May 2010 Construction and Performance of IP Optics Tuning Knobs in the LHC S. M. White, R. Tomas, G. Vanbavinckhove, W. Venturini Delsolaro CERN, Geneva, Switzerland Abstract During the first years of operation of the LHC unknown field errors or misalignments could lead to unmatched optics and discrepancies with respect to the model. This could affect some critical parameters such as the luminosity or the lifetime. It is therefore desirable to implement tools which allow for fine tuning of the IP optics and could be used during the commissioning phase of the LHC. In this paper we report on the implementation the performances and the limitations of these commissioning tools. INTRODUCTION When two proton bunches collide particles of one bunch will experience a localised defocusing force from the other bunch. This field, commonly called the beam-beam force, becomes strongly non-linear for particles with a large amplitude and produces a spread of the tunes and an excitation of non-linear resonances. We can therefore expect all effects that are known from resonance and non-linear theory such as unstable motion and beam blow-up or bad lifetime. The destructive effect of the beam-beam force is stronger for beams with unequal sizes as demonstrated in [1]. In addition, the luminosity for Gaussian beams in the case of head-on collisions without crossing angle is expressed as:
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Determination of the absolute luminosity at the LHC
Les parametres les plus importants decrivant les performances d'un collisionneur de particules sont l'energie et la luminosite. Les hautes energies permettent aux experiences de physique des particules d' etudier de nouveaux effets. La luminosite decrit la capacite du collisionneur a produire le nombre requis d'interactions utiles ou evenements. Le Large Hadron Collider (Grand Collisionneur de Hadron) ou LHC a ete concu pour produire des collisions proton proton a une energie dans le centre de masse de 14 TeV. Cette energie est la plus haute jamais atteinte jusqu'alors dans un accelerateur de particules. Les connaissances et la comprehension de la physique des particules a de telles energies sont basees sur des simulations et des predictions theoriques. Contrairement aux collisionneurs electron positron pour lesquels la section efﬁcace de diffusion de Bhabba peut etre precisement calculee et utilisee pour calibrer la luminosite, il n'existe pas de processus ayant une section efﬁcace bien connu et un taux de production sufﬁsant pour etre utilise aﬁn de calibrer la luminosite durant les premieres annees d'operation du LHC. La luminosite peut aussi etre exprimee en fonction du nombre de charges par faisceau et leur taille au point d'interaction. Il est donc possible d'utiliser cette propriete aﬁn de determiner la luminosite a partir des parametres machine. La determination de la luminosite absolue a partir des parametres machine est une methode alternative a celle utilisant les sections efﬁcaces et offre des informations complementaires au modele de fragmentation. Pour le LHC, il a ete propose d'utiliser la methode developpee par S. Van Der Meer a ISR aﬁn d'offrir une calibration de la luminosite aux experiences de physique des particules durant les premieres annees d'operation. Cette these decrit comment cette methodea ete implementee et utilisee pour la premiere fois au LHC aﬁn d'optimiser et de calibrer la luminosite. Des etudes complementaires d'optique lineaire et de dynamique faisceau ainsi que des mesures faites pour le collisionneur RHIC sont aussi decrites. Cette etude commence par un chapitre introductif qui reprend les notions de physique des accelerateurs necessaire a la comprehension des chapitres suivants. Les equations decrivant les mouvements des particules dans un accelerateur circulaire sont rappelees ainsi que les principes de base d'optique lineaire. Des grandeurs caracteristiques du faisceau et de la machine telles que l'emittance ou le tune sont deﬁnies. Une breve introduction aux effets faisceau-faisceau est aussi presentee ces derniers etant inherent aux collisionneurs de particules. Une description plus detaillee du concept de luminosite est donnee. Les equations generales de luminosite en presence d'effets tel qu'un angle de croisement sont derivees. Enﬁn differentes methodes permettant de determiner la luminosite absolue sont presentees et le choix de la methode de Van Der Meer pour les premieres annees d'operations du LHC est explique. Le second chapitre se concentre sur la methode de Van Der Meer. Le principe developpe par S. Van Der Meer est decrit et plus particulierement comment cette methode offre une mesure directe de l'integrale de recouvrement, decrivant la region d'interaction des deux faisceaux, sans avoir besoin de connaitre les distributions initiales des faisceaux. L'impact des differents effets presentes dans le chapitre1 sur la precision de la mesure sont etudies analytiquement aﬁn de determiner les parametres faisceau optimaux pour une mesure de la luminosite absolue. Enﬁn une estimation de l'erreur sur la determination de la luminosite basee sur des etudes numeriques et les speciﬁcations des instruments utilises durant cette mesure est donnee. Le chapitre 3 presente le LHC et comment les principaux parametres faisceau ont ete choisis aﬁn de delivrer une luminosite de 1034 cm−2 s−1 aux experiences ATLAS et CMS. Quelques dates cle de la mise en route du LHC sont rappelees aﬁn de justiﬁer l'orientation de certaines etudes presentees dans cette these et comment il a ete necessaire de s'adapter au changement de programme de mise en marche du LHC. Les differentes etapes permettant d'accelerer et de mettre les faisceaux en collision a partir de l'injection sont brievement decrites. Dans le cadre de cette these des etudes concernant plus particulierement la mise en collision des faisceaux dans le LHC. Des simulations de l'impact sur l'orbite des effets d'hysteresis presents dans les aimants permettant de deplacer les faisceaux au point d'interaction ainsi que la maniere dont ceux-ci sont utilises pour generer l'angle de croisement, la separation ou l'optimisation des collisions sont decrites. Lors de la mise en collision des faisceaux de nombreux effets lies a la dynamique faisceau et plus particulierement aux effets faisceau-faisceau entrent en jeux. Des simulations permettant de modeliser ces effets et de comprendre leur impact sur l' emittance ont ete realisees et seront aussi decrites dans ce chapitre. Le chapitre 4 donne une description des divers instruments utilises lors de l'analyse des donnees permettant de determiner la luminosite absolue. En principe, seules les mesures de courant sont necessaires pour determiner la luminosite. Des informations complementaires et qui se sont revelees tres utiles par la suite ont ete donnees par d'autre instruments tel que les wire-scanner permettant de mesurer l' emittance ou les BPM permettant determiner la trajectoire des faisceaux le long de l'anneau. Ces instruments sont donc aussi decrits dans ce chapitre. Enﬁn, le LHC est equipe de moniteurs de luminosite donc le but est de fournir des signaux robustes grâce auxquels il est possible d'optimiser la luminosite. Ce chapitre se termine donc sur une description detaillee de ces moniteur de luminosite et les simulations qui ont ete faites a l'aide du logiciel FLUKA aﬁn de determiner les performances et l'efﬁcacite de ces moniteurs a haute energie. Le chapitre 5 presente les resultats des mesures effectuees sur le collisionneur RHIC (relativistic ion collider). Ces mesures ont ete effectuees en 2009 alors que le LHC etait stoppe suite a l'incident de Septembre 2008. RHIC presente certaines caracteristiques communes au LHC et represente donc un excellent test pour les futures mesures au LHC. La calibration de la luminosite par la methode de Van Der Meer est aussi utilisee a RHIC, une collaboration avec ce laboratoire a donc ete mise en place aﬁn de proﬁter de l'experience acquise par le passe dans ce laboratoire. Malgre certains parametres faisceaux non optimisees pour une mesure de precision de la luminosite absolue il a ete possible de determiner celle-ci avec une precision de 7% dominee par l'erreur sur les mesures de courant et la determination du deplacement des faisceaux. Une etude detaillee des differentes sources d'erreur ainsi que des propositions pour les reduire lors de futures mesures sont presentees. Les faisceaux du collisionneur RHIC ont un courant eleve ce qui n'est pas optimal pour la determination de la luminosite absolue mais a permis d'observer certains effets faisceau-faisceau qui n'avaient pas ete observe par le passe a RHIC et presentent donc un resultat tres interessant de ce chapitre. Le chapitre 7 presente les resultats obtenus en 2010 au LHC. L'annee 2010 a ete une annee de beaucoup de premeres pour le LHC auxquelles j'ai eu la chance de participer. J'ai notamment ete implique dans l'etablissement des premeres collisions, les premieres optimisations de luminosite. Ces trois contributions sont decrites dans ce chapitre ainsi que les outils developpes aﬁn de realiser ces mesures et plus particulierement le logiciel d'optimisation et de calibration de la luminosite qui est decrit plus en d etail dans les annexes. Enﬁn l'annee 2010 a aussi vu la premiere calibration de la luminosite utilisant la methode de Van Der Meer a 3.5TeV. Le protocole de la methode est presente ainsi qu'une etude detaillee des erreurs systematiques associees a cette mehode. Ces premieres mesures ont permis de determiner la luminosite avec une precision de 11% largement dominee par les mesures de courant des faisceaux. Pour terminer, des propositions pour ameliorer la precision des futures mesures sont presentees. Le dernier chapitre de cette these presente des travaux effectues sur les optiques de beta eleves. Ces optiques ont ete developpees pour les experiences TOTEM et ATLAS et permettront de mesurer precisement les angles de diffusion elastiques des interactions proton-proton et ainsi determiner leur section efﬁcace. Cette methode presente un alternative a la methode de Van Der Meer et devrait en principe donner une mesure de section efﬁcace avec une precision de quelques pour cents. Ces optiques etant tres difﬁciles ils ne pourront pas etre mis en place avant que le LHC atteigne son energie nominale de 7TeV par faisceau. Des optiques intermediaires ont donc aussi ete developpees et sont presentees brievement dans ce dernier chapitre.
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Dependence of Background Rates on Beam Separation in the LHC
To some extent, background and loss rates vary when beams are brought into collision in the LHC and when the beam separation is varied during luminosity scans. We have searched for these effects in the early LHC operation. The data are analysed and compared with models and sim-
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First Luminosity Scans in the LHC
Once circulating beams have been established in the LHC the first step towards collisions is to remove the physical separation used to avoid collisions during injection and ramp. A residual separation can remain after the collapsing of the separation bumps. The so-called Van Der Meer method allows for a minimization of this unwanted separation by transversally scanning one beam through the other. The beam sizes at the IP can also be determined by this method and used to give an absolute measurement of the luminosity. We report on how this measurement was implemented and performed in the LHC to optimize and calibrate luminosity.
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Nuclear structure of 238Np from neutron-capture and alpha -decay measurements.
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Nuclear structure of 231Th from neutron capture and (d,p) reaction measurements.