Optics Measurements with the Transverse Damper in the Large Hadron Collider

Abstract

Effective control of beam optics is critical for achieving the luminosity targets in particle colliders such as the Large Hadron Collider (LHC). The search of new discoveries requires even higher beam intensities and smaller beam sizes at collision points, emphasizing the significance of optics corrections. Current optics measurement techniques in the LHC are limited to restricted machine conditions and low-intensity bunches using the ac dipole. Until now, these methods have provided the required precision for sufficient luminosity production. However, with increasing beam intensities, possible deviations in optics quality are introduced that need to be identified and corrected accordingly. The LHC Transverse Damper (ADT) used in ac dipole -like mode offers an alternative by providing a coherent transverse beam excitation with a low oscillation amplitude, even with operational beams. As the oscillation amplitude of the ADT is low, improvements in spectral resolution are necessary to obtain a comparable measurement quality to the ac dipole. These improvements could be achieved through upgrades, such as increasing the number of acquired turns, increasing the oscillation amplitude and decreasing the tune split. This thesis presents the advancements made in optics measurements with the ADT in the LHC using pilot bunches. Enhancements in the spectral resolution were achieved by increasing the number of acquired turns and the oscillation amplitude. Between ADT and ac dipole excitations, linear optics showed a good agreement at injection energy, validating the usage of ADT for optics measurements with low-intensity bunches. Furthermore, secondary spectral lines arising from nonlinear contributions were observed with the ADT. The analysis of the normal sextupolar terms show promising results for low-amplitude nonlinear optics measurements in the future. Finally, some observed limitations of the ADT are discussed and their effect on the ADT performance is considered. The presented results offer a clear path towards performing optics measurements in operational conditions in the LHC, marking a significant step forward in operation of the particle collider.

Hiukkassuihkuoptiikan hyvä hallinta on ratkaisevan tärkeää hiukkastörmäyttimien, kuten Large Hadron Collider (LHC) -törmäyttimen luminositeettitavoitteiden saavuttamiseksi. Uusien löytöjen mahdollistamiseksi vaaditaan entistä suurempia hiukkassuihkun intensiteettejä sekä pienempiä sädekokoja törmäyspisteissä, jolloin optiikan korjausten merkitys korostuu entisestään. LHC:n nykyisiä optiikan mittaustekniikoita voidaan käyttää vain rajoitetuissa laiteolosuhteissa ja matalaintensiteettisillä hiukkassuihkuilla hyödyntäen ac-dipolia. Tähän mennessä nämä metodit ovat tarjonneet riittävän tarkkuuden tarvittavan luminositeettituotannon saavuttamiseksi. Hiukkassuihkujen intensiteettien kasvaessa mahdolliset poikkeamat optiikan laadussa täytyy ottaa huomioon ja korjata tarpeen mukaan. LHC:n poikittaisvaimenninta (ADT, eng. Transverse Damper) voidaan käyttää ac-dipolin kaltaisesti tuottamaan koherentti poikittainen viritys hiukkassuihkulle. Virityksen amplitudi on matala, joten sitä on turvallista käyttää myös korkeaintensiteettisiin hiukkassuihkuihin. Koska ADT:n oskillaatioamplitudi on pieni, spektriresoluutiota on parannettava, jotta mittausten laatu olisi verrattavissa ac-dipoliin. Resoluutiota voidaan parantaa erilaisilla toimenpiteillä, kuten lisäämällä tallennettujen kierrosten lukumäärää, kasvattamalla oskillaatioamplitudia ja pienentämällä vire-erotusta. Tässä diplomityössä esitellään ADT:llä tehdyt optiikan mittaukset käyttäen pilottikimppuja. Taajuusspektrin resoluutiota parannettiin lisäämällä tallennettujen kierrosten määrää sekä kasvattamalla oskillaatioamplitudia. ADT:n ja ac-dipolin välillä lineaarinen optiikka osoitti hyvää yhdenmukaisuutta injektioenergiassa osoittaen ADT:n soveltuvuuden optiikan mittaamiseen matalan intensiteetin hiukkassuihkujen kanssa. Lisäksi ADT:llä havaittiin epälineaarisista kontribuutioista johtuvia sekundaarisia spektriviivoja taajuusspektrissä. Normaalien sekstupolitermien analyysi osoittaa lupaavia tuloksia epälineaarisen optiikan mittaamiseen matala-amplitudisella hiukkassuihkulla tulevaisuudessa. Lopuksi käsitellään joitakin ADT:n havaittuja rajoitteita sekä niiden vaikutusta ADT:n suorituskykyyn. Esitetyt tulokset tarjoavat selkeän tien kohti optiikan mittaamista operatiivisissa olosuhteissa LHC:ssä, mikä on merkittävä edistysaskel törmäyttimen operoinnissa.