Measurement of the LHC beam profile using the Beam Gas Vertex detector

Abstract

Der Strahl-Gas-Vertex (Beam Gas Vertex, BGV) Detektor ist Messgerät am LHC (Large Hadron Collider), das entwickelt wurde um die Anwendbarkeit der Messung von Strahl-Gas Kollisionen als Methode zur Bestimmung des Strahlprofils zu bestätigen. Die Installation am Strahlrohr 2 des LHC wurde 2015 erfolgreich abgeschlossen. Mittelfristig ist das Ziel, dass im Falle einer erfolgreichen Bestätigung das Design verbessert wird und dann zwei neue BGV hergestellt und auf beiden Strahlrohren des LHC installiert werden. Dies soll zwischen 2024 und 2026 durchgeführt werden, da der LHC im Rahmen des HL-LHC (High Luminosity LHC) Upgradeprogramms ebenfalls verbessert wird. Der Hauptteil meiner Arbeit und somit mein Beitrag zum Projekt waren die Datenanalyse der genommenen Daten, die Anpassung des Rekonstruktionsalgorithmus basierend auf den genommenen Daten, die Entwicklung und Qualifikation des die Strahl-Größe bestimmenden Algorithmus, die präzise Positionsbestimmung des Detektors und die darauf basierenden Korrekturen sowie die Entwicklung von passenden Grafiken zur Darstellung der Ergebnisse. Als ersten Schritt habe ich die Anwendbarkeit der Methode anhand von gemessenen Daten nachgewiesen. Die Resultate haben gezeigt, dass die Anzahl an Spuren pro Strahl-Gas Kollision zu gering ist um mittels Vertexrekonstruktion die Strahlgröße mit ausreichender Genauigkeit zu berechnen. Daher wurde eine zweite Methode untersucht, die sogenannte Korrelationsmethode. Diese erlaubt es anhand der Korrelation zwischen Spuren des selben Ereignisses die Strahlgröße zu bestimmen und ist dabei annähernd unabhängig von der Messgenauigkeit. Dies konnte auch nachgewiesen werden, da unter Anwendung der Korrelationsmethode die statistische Messgenauigkeit nur von der Anzahl der gemessenen Ereignisse abhängt bis zu einem Limit von ein paar m. Weiters war es mir möglich viele verschiedene Strahlarten zu messen und dadurch den BGV in vielen verschiedenen Ausgangslagen zu charakterisieren. Es konnte gezeigt werden, dass der BGV in der Lage ist, den Strahl paketweise zu messen sowie natürlich auch den Durchschnitt über alle Pakete. Das momentane Limit für die maximale Anzahl an Paketen die individuell gemessen werden können ist nur von der vorhandenen Rechenkapazität limitiert und wurde bereits im Rahmen des 2019/20 Upgradezyklus verbessert. Als letzten Schritt wurden die Ergebnisse mit anderen Strahlmessgeräten verglichen.

The Beam Gas Vertex (BGV) demonstrator was developed for the Large Hadron Collider (LHC) to demonstrate the feasibility of a beam profile measurement device using a tracking detector to reconstruct beam-gas interactions. It has been successfully installed on beam 2 in 2015. If the evaluation of the concept using the demonstrator is successful, the design will be optimized, manufactured and installed on both beams for the HL-LHC upgrade that will be performed between 2024 and 2026. My main contributions to the BGV project were the analysis of data taken by the detector, optimization of the reconstruction algorithm based on this data, the development and qualification of the beam size measurement algorithms, the alignment of the detector as well as the development of adequate monitoring. As a first step the applicability of the usage of beam-gas interactions for beam size measurements was shown. The results showed that the assumed number of tracks per interaction detected by the setup was too low to apply vertexing as the method of measuring the beam size. Thus the correlation method was used to calculate the beam size and all the properties of the BGV were qualified using this method. It could be shown, that the achievable precision of the BGV depends on the number of events acquired down to a limit of a few m. Futhermore I was able to measure many different kinds of beams allowing for the characterization of the BGV in changing conditions. It has been shown, that the BGV is capable of performing bunch by bunch measurements as well as averaged results with the limit for the number of bunches that can be acquired at the same time currently determined by the available computing capacity. As a final step the results acquired with the BGV were compared to other beam size measurement devices already installed in the LHC.