Compensation of long range beam-beam interaction at the CERN LHC

Abstract

Die Teilchenstrahlen in Hochenergieteilchenbeschleunigern sind von einem starken, nichtlinearen elektromagnetischen Feld umgeben. Wann immer zwei Teilchenpakete der gegenl\"aufigen Strahlen einander passieren kommt es daher zu einer als Strahl-Strahl Interaktion bezeichneten elektromagnetischen Wecheselwirkung. Diese hat eine Reihe von negativen Konsequenzen fuer die Strahldynamik zur Folge, wie beispielsweise Teilchenverlust oder ein Anwachsen der Emittanz. Im ``Large Hadron Collider'' (LHC) am CERN werden solche Wechselwirkungen pro Umlauf vier mal frontal (jeweils einmal pro Interaktionspunkt, IP) und 15 mal mit einem kleinen transversalen Abstand auf jeder Seite jedes IPs stattfinden. Im LHC ist f\"ur die Korrektur dieser St\"orungen ein Draht-Kompensator vorgesehen.<br />Im Zuge dieser Dissertation wurde das Simulationsprogramm ``BBTrack'' entwickelt und angewandt um diese Strahl-Strahl Interaktion und deren Kompensation im CERN LHC (sowohl in der nominellen als auch in den geplanten weiteren Ausbaustufen) zu untersuchen. Experimente am RHIC (BNL) und am SPS (CERN) wurden durchgefuehrt um Erkenntnisse ueber die zugehoerigen Teilchenverlustmechanismen zu gewinnen und die Messergebnisse mit Simulationsvorhersagen zu vergleichen.<br />Weiters wurden verschiedene technische Umsetzungen eines gepulsten Kompensators studiert.<br />

Charged particle beams in high energy, high luminosity particle colliders are accompanied by strong and highly nonlinear electromagnetic fields. When two counterrotating beams pass each other these fields give rise to so called ``beam-beam interactions'' with a wide spectrum of negative consequences for the beam dynamics resulting e.g. in particle loss and emittance blow up. In the Large Hadron Collider (LHC) such crossings will occur each turn four times ``head-on'' (once at each interaction point, IP) and fifteen times ``long-range'' on each side of each IP with a small transverse offset. In order to correct for the resulting perturbations a wire compensator is foreseen.<br />In the framework of this thesis the tracking code ``BBTrack'' has been developed and employed to investigate long-range beam-beam interaction and its wire compensation in the CERN LHC (nominal and upgraded).<br />Complementary experimental studies at RHIC at BNL and the CERN SPS were performed allowing experimental insight in the related loss mechanism and benchmarking of the simulation software.<br />Technical implementations for a pulsed compensator have been studied