Polarized positron sources for the future linear colliders

par Iryna Chaikovska

Thèse de doctorat en Physique des particules et Accélérateurs

Sous la direction de Alessandro Variola.

Le président du jury était Achille Stocchi.

Le jury était composé de Alessandro Variola, Achille Stocchi, Maud Baylac, Frank Zimmermann, Tsunehiko Omori, Fabian Zomer, Luca Serafini.

Les rapporteurs étaient Maud Baylac, Frank Zimmermann.

  • Titre traduit

    Sources de positrons polarisés pour les futurs collisionneurs linéaires


  • Résumé

    Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ – e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 – 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 – 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ – e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie.


  • Résumé

    During the next few years experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will continue to explore carefully fundamental high energy physics principles at a an energy domain which has never been reached before. Possible designs for the next-generation lepton Linear Collider (LC) based on e+–e- collisions have already been proposed to perform high precision studies complementary to the LHC. In this framework, there are two large projects: the International Linear Collider (ILC) exploring a centre-of-mass energy range of de s = 0.5 – 1 TeV and the Compact Linear Collider (CLIC) expected to operate at s = 0.5 – 3 TeV. The physics programme of the future LC will benefit strongly of colliding both polarised electron and positron beams. This thesis introduces the polarized positron source as one of the key element of the future LC. In this context, the different schemes of the polarized positron source are described highlighting the main issues in this technology. In particular, the main focus is on the Compton based positron source adopted by the CLIC as a preferred option for the future positron source upgrade. In this case, the circularly polarized high energy gamma rays resulting from Compton scattering are directed to a production target where an electromagnetic cascade gives rise to the production of positrons by e+–e- pair conversion. To increase the efficiency of the gamma ray production stage, a multiple collision point line integrated in energy recovery linac is proposed. The simulations of the positron production, capture and primary acceleration allow to estimate the positron production efficiency and provide a simple parametrization of the Compton based polarized positron source in the view of the future LC requirements. The storage ring based Compton source option, so-called Compton ring, is also described. The main constraint of this scheme is given by the beam dynamics resulting in the large energy spread and increased bunch length affecting the gamma ray production rate. An original theoretical contribution is shown to calculate the energy spread induced by Compton scattering. Moreover, an experiment to test the gamma ray production by Compton scattering using a state-of-art laser system developed at LAL has been conducted in the framework of the "MightyLaser" project at the ATF, KEK. The experimental layout as well as the main results obtained are discussed in details. The studies carried out in this thesis show that the polarized positron source based on Compton scattering is a promising candidate for the future LC polarized positron source. To attain the required performance, further developments and R&D in field of the high power laser systems, optical cavities and high current electron accelerators such as the energy recovery linacs should be pursued in the future.


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