Fast Luminosity Monitoring Using Diamond Sensors for SuperKEKB

par Dima El Khechen

Thèse de doctorat en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Philip Bambade.

  • Titre traduit

    Monitorage rapide de la luminosité au moyen de capteurs diamant pour SuperKEKB


  • Résumé

    SuperKEKB est un collisionneur à très haute luminosité construit pour l’expérience Belle II, constitué d’un anneau de basse énergie (LER) transportant des positrons de 4 GeV et d’un anneau de haute énergie (HER) où circulent des électrons de 7 GeV. Sa mise en service -ou commissioning- se déroulera en trois phases : La phase 1, durant laquelle des faisceaux circulent sans être focalisés au point de collision, a pour but de nettoyer la chambre à vide du gaz résiduel. La seconde phase, où le détecteur Belle II sera en partie installé, permettra le réglage du système de focalisation finale des faisceaux, jusqu’à atteindre une luminosité de 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. La troisième phase correspondra au démarrage de l’expérience Belle II avec une luminosité visée de 10³⁵ cm⁻² s⁻¹ à 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. Dans ce cadre, ma thèse porte sur la conception et la mise en place d’un système permettant le monitorage rapide de la luminosité, système nécessaire pour pouvoir corriger en temps réel les instabilités des faisceaux et ainsi maintenir une luminosité optimale. Afin d’atteindre la haute précision relative souhaitée, de l’ordre de 10⁻³ en 1 ms, la mesure sera basée sur le taux de comptage des particules issues de la diffusion Bhabha radiative à angle nul, processus bien connu et dont la section efficace est importante. Ces particules seront détectées au moyen d’un capteur en diamant, matériau résistant aux radiations et permettant une acquisition très rapide du signal, situé à l’extérieur de la chambre à vide et en aval du point d’interaction. La première partie de cette thèse est consacrée à la recherche des localisations optimales pour le positionnement des capteurs diamants dans chacun des deux anneaux. Au moyen de simulations détaillées, nous avons étudié la dynamique des particules Bhabha lors de leur transport dans les anneaux ainsi que leur interaction avec la matière de la chambre à vide. Ces études ont permis d’ une part d’ identifier un emplacement à 11.9m dans le LER et un autre à 30 m dans le HER, et d’autre part de redéfinir pour l’une d’ entre elle la géométrie locale du tube à vide. La seconde partie, plus expérimentale, s’articule autour de la première phase du commissioning de SuperKEKB et des mesures réalisées au moyen des capteurs diamants que nous avons installés. Dans un premier temps, une étude détaillée des processus de perte single beam (Bremsstrahlung, effet Touschek, diffusion coulombienne) a été réalisée pour le LER en fonction des paramètres du faisceau et du collisionneur (courant, pression, taille transverse des faisceaux). Dans un deuxième temps les résultats de cette étude ont été comparés aux données que nous avons prises de février à juin 2016. Nous avons pu mettre en évidence un bon accord qualitatif et quantitatif entre nos simulations et nos mesures. Cela nous a permis d’estimer que le niveau de bruit de fond attendu dans le cadre des mesures pour le monitorage de la luminosité sera de plus de deux ordres de grandeurs inférieurs au taux du processus Bhabha radiatif à angle nul.


  • Résumé

    SuperKEKB is a very high luminosity collider dedicated to the Belle II experiment, it consists of a Low Energy Ring (LER) of 4 GeV positrons and a High Energy Ring (HER) of 7 GeV electrons. The commissioning of this machine is split into three phases: phase 1 (single-beam phase) is dedicated to vacuum scrubbing, where beams circulate without focusing at the collision point. Phase 2, for which the major part of the Belle II detector will be installed, will enable the tuning of the final focus system to achieve a luminosity of 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. During phase 3, Belle II physics runs will start with an aimed luminosity up to 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. In this context, the aim of my thesis is to develop and install a fast luminosity monitoring system, which is required for online correction of beam instabilities and maintenance of optimal luminosity. To reach the aimed relative precision of 10⁻³ in 1 ms, the measurement will be based on the radiative Bhabha process at zero photon scattering angle, whose cross-section is large and well-known. These particles will be detected using diamond sensors, resistant to radiation and enabling very fast signal acquisition, to be placed outside of the beam-pipe and downstream of the interaction point. The first part of this work is dedicated to the investigation of the best locations for the diamond sensor positioning in both rings. Using detailed simulations, we studied the dynamics of Bhabha particles during their tracking in the rings and their interaction with the beam pipe material. This led to the identification of two positions, at 11.9 m in LER and at 30 m in HER, and to considering a new geometry for the vacuum pipe in the LER. The second part is related to the phase 1 of the SuperKEKB commissioning and concerns the measurements performed with the diamond sensors that were installed. Single beam loss processes (Bremsstrahlung, Touschek, beam-gas Coulomb scattering) were studied in detail with respect to the LER beam and ring parameters (current, pressure, transverse beam sizes). The results of this study were then compared to the data collected from February to June 2016. We found good qualitative and quantitative agreement between our simulations and measurements. From this we could estimate that the level of background to be expected during luminosity monitoring will be two orders of magnitude smaller than the rate of the radiative Bhabha scattering signal.


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