Investigations and technology developments for a final cooling scheme in muon colliders

Abstract

In dieser Arbeit wird die Strahldynamik in der letzten Kühlphase eines hoch energetischen Myonen-Kollisionsmaschine untersucht, indem die Ionisationskühlung die normalisierte transversale Emittanz auf den Zielwert reduziert. Dadurch kann der Kollisionsbeschleuniger maximale Luminositäten erreichen, die für Präzisionsstudien des Higgs- Bosons, leptonischer Partonverteilungsfunktionen und anderer fundamentaler Phänomene erforderlich sind. Als bahnbrechendes Werkzeug für die Hochenergiephysik treibt die Kollisionsmaschine mit Myonen die Weiterentwicklung der Beschleunigertechnologien voran.Die Ionisationskühlung ist eine schnell wirkende Technik, die die Emittanz von Myonenstrahlen innerhalb ihrer kurzen Lebensdauer vor allem durch Wechselwirkungen mit Material reduziert. In dieser Arbeit wird ein Semigaußsches Streumodell, parametrisiert mit dem Bethe-Wentzel-Modell, in das RF-Track Programm integriert. Die Implementierung wird mit etablierter Software verglichen, was die Eignung von RF-Track zur Simulation der Ionisationskühlung bestätigt und künftige Studien über kollektive Strahleffekte ermöglicht.Das Bethe-Wentzel-Modell wird außerdem für analytische Rechnungen zur transversalen Emittanzverringerung verwendet, die eine beispiellose Übereinstimmung mit der Simulation zeigt. Diese Innovation ermöglicht die Optimierung der anfänglichen Strahlenparameter in den Zellen des finalen Kühlens, ohne auf zeitintensive Makroteilchensimulationen angewiesen zu sein. Darüber hinaus schätzt dieses analytisches Modell für die Energiedeposition den Druckanstieg in Wasserstoffabsorbern, wobei sich herausstellt, dass frühere Annahmen den Druckanstieg im Wasserstoff nicht berücksichtigt worden sind. Es wird ein neues Design mit dichteangepassten Wasserstoff vorgeschlagen, um einen materialschädigenden Druckanstieg zu vermeiden.Ein entscheidender Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer adiabatischen Hochfahr- Methode zur Strahlanpassung an ein 40T starkes Solenoid mit Wasserstoff. Dadurch wird ein angepasster Strahltransport von Solenoiden mit niedrigen in hohen Feldern gewährleistet. Es wird ein verfeinertes Sytem aus RF-Kavitäten und Solenoiden einge- führt, das die Kompaktheit und Realitätsnähe gegenüber früheren Designs verbessert.Das vorgeschlagene Endkühlungsdesign umfasst neun konfigurierte Zellen, jede mit angepassten Dichten des Wasserstoffes mit inkludierten Strahlfenstern, und bietet eine praktischere und effektivere Lösung für das final Myonenkühlen

This thesis investigates the beam dynamics of the final cooling stage in a multi-TeV muon collider, where ionization cooling reduces the normalized transverse emittance to its target value. Achieving this enables the collider to reach peak luminosities necessary for precision studies of the Higgs boson, leptonic parton distribution functions, and other fundamental phenomena. As a transformative tool for high-energy physics, the muon collider drives advancements in accelerator technologies.Ionization cooling is a fast-acting technique that reduces muon beam emittance within the muons’ short lifetime, primarily through interactions with material combined with high-field solenoids. This work incorporates a semi-Gaussian scattering model, parameterized with the Bethe-Wentzel model, into the RF-Track code. The implementation is compared to established tracking software, which confirms the suitability of RF-Track to simulate ionization cooling and allows future studies of collective beam effects.The Bethe-Wentzel model is further useful for the analytic evolution of the transverse emittance reduction, showing unprecedented agreement with the simulation. This innovation allows optimizing initial beam parameters in final cooling cells without relying on time-intensive macro-particle simulations. Furthermore, an analytical calculation for energy deposition estimates pressure increases in hydrogen absorbers, revealing that earlier assumptions underestimated the pressure increase within hydrogen. A new design with density-adjusted liquid and vapor hydrogen is proposed to mitigate excessive pressure buildup.A critical contribution of this thesis is the development of an adiabatic ramping method to match the beam to a 40 T solenoid. This ensures smooth beam transport from low- field to high-field solenoids incorporated with hydrogen. A refined RF-solenoid beamline layout is introduced, improving compactness and realism over previous designs. The proposed final cooling lattice comprises nine uniquely configured cells, each with adjusted hydrogen properties and beam windows, offering a more practical and effective solution the final cooling in a muon collider.