Βέλτιστη οπτική σχεδίαση των δεσμών του νέου γραμμικού επιταχυντή CLIC λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα ενδοσκέδασης των σωματιδίων της δέσμης

Abstract

Ένας γραμμικός συγκρουστήρας ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, ο Συμπαγής Γραμμικός Συγκρουστήρας (CLIC) είναι υπό μελέτη στο CERN, στοχεύοντας στην εξερεύνηση στην περιοχή ενεργειών των τερα-ηλεκτρονιοβόλτ, της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών. Ο συγκρουστήρας έχει βελτιστοποιηθεί για ενέργεια κέντρου μάζας των 3 TeV και στοχεύει σε φωτεινότητα των 10^34 cm^-2 s^-1. Για την επίτευξη αυτής της φωτεινότητας, μεγάλης έντασης πακέτα σωματιδίων με πολύ μικρές τιμές εκπεμπτικότητας, σε όλα τα επίπεδα, είναι απαραίτητα. Η επίτευξη της πολύ μικρής εκπεμπτικότητας πραγματοποιείται στο σύμπλεγμα δακτυλίων απόσβεσης του συγκρουστήρα. Η μεγάλη εκπεμπτικότητα των εισερχομένων δεσμών και η απαίτηση παραγωγής εξαιρετικά μικρής εκπεμπτικότητας δεσμών στην έξοδο του συμπλέγματος, στον πολύ μικρό χρόνο επανάληψης των 20 ms, επιβάλλουν την απόσβεση των δεσμών σε 2 στάδια. Έτσι ένας δακτύλιος προ-απόσβεσης και ένας κύριος δακτύλιος απόσβεσης είναι απαραίτητοι για κάθε δέσμη. Η μεγάλη εκλαμπρότητα της δέσμης διεγείρει διάφορα φαινόμενα συλλογικής κίνησης σωματιδίων, με το φαινόμενο της ενδοδεσμικής σκέδασης σωματιδίων να αποτελεί τον κύριο περιορισμό για την επίτευξη της πολύ μικρής εκπεμπτικότητας. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τον σχεδιασμό του μαγνητικού πλέγματος και την βελτιστοποίηση ως προς τα μη γραμμικά φαινόμενα ενός δακτυλίου προαπόσβεσης ποζιτρονίων και τη βελτιστοποίηση του μαγνητικού πλέγματος των κυρίως δακτυλίων απόσβεσης, υπό την επίδραση του φαινομένου της ενδοδεσμικής σκέδασης σωματιδίων. Διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα, που περιγράφουν το πιο πάνω φαινόμενο, μελετώνται και συγκρίνονται για διαφορετικά μαγνητικά πλέγματα. Τα αποτελέσματα των θεωρητικών μοντέλων συγκρίνονται επίσης με 2 κώδικες προσομοίωσης πολλών σωματιδίων, δίνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα, κυρίως για παραμέτρους για τις οποίες το φαινόμενο της ενδοδεσμικής σκέδασης είναι ασθενές. Απόκλιση μεταξύ των διαφορετικών μοντέλων παρατηρείται καθώς το φαινόμενο γίνεται πιο ισχυρό. Τέλος, πειραματικά αποτελέσματα από την Ελβετική πηγή ακτινοβολίας Συγχρότρου (SLS) και τον αποθηκευτικό δακτύλιο ηλεκτρονίων του Cornell (Cesr-TA), παρουσιάζονται και συγκρίνονται με τις θεωρητικές προβλέψεις, με πολύ θετικές ενδείξεις.

A e+/e- linear collider, the Compact Linear Collider (CLIC) is under design at CERN, aiming to explore the terascale particle physics regime. The collider has been optimized at 3 TeV center of mass energy and targets a luminosity of 10^34 cm^-2s^-1. In order to achieve this high luminosity, high intensity bunches with ultra low emittances, in all three planes, are required. The generation of ultra low emittance is achieved in the Damping Rings (DR) complex of the collider. The large input beam emittances, especially the ones coming from the positron source, and the requirement of ultra low emittance production in a fast repetition time of 20 ms, imply that the beam damping is done in two stages. Thus, a main-damping ring (DR) and a pre-damping ring (PDR) are needed, for each particle species. The high bunch brightness gives rise to several collective eeffects, with Intra-beam scattering (IBS) being the main limitation to the ultra-low emittance. This thesis elaborates the lattice design and non-linear optimization of a positron pre-damping ring and the lattice optimization of a damping ring, under the in influence of IBS. Several theoretical models, describing this eect, are discussed and compared for different lattices, while two multi-particle tracking algorithms are bench-marked with the theoretical models. Finally, IBS measurement results, at the Swiss Light Source (SLS) and the Cornell electron storage ring Test Accelerator (Cesr-TA), are presented and compared with theoretical predictions.