Compensation des interactions faisceau-faisceau pour l'amélioration des performances du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN

Beam-Beam long-range wire compensation for enhancing CERN LHC performance

• Auteur / Autrice : Axel Poyet
• Direction : Jean-Marie de Conto, Guido Sterbini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 18/05/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maud Baylac, Benjamin Trocmé, Patrick Puzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mauro Migliorati, Philip Burrows

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique physique

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Compensation filaire

Collisionneur

Faisceau-Faisceau

Collider

Beam-Beam

Wire compensation

Résumé

Dans les collisionneurs à haute énergie et à haute intensité, comme le Grand Collisionneur de Hadrons au CERN, ou sa mise à niveau en termes de luminosité, les interactions entre les deux faisceaux autour des différents points d'interactions représentent une des limitations des performances de la machine. Leur effet peut réduire considérablement le temps de vie du faisceau, et donc, le possible niveau de luminosité.Au début des années 2000, une nouvelle idée fut proposée afin de compenser les effets de ces interactions, appelées interactions faisceau-faisceau à grande échelle. Cette idée consiste à utiliser des fils porteur d'un courant direct. En 2015, une démonstration semi-analytique d'une possible compensation basée sur les résonances motiva la construction et l'installation de quatre prototypes pour le LHC. Cette installation eut lieu en 2017 et 2018 et une campagne expérimentale de deux ans s'en suivit.Dans un premier temps, une preuve du concept fut réalisée. Les résultats positifs obtenus motivèrent une autre série d'expériences afin de pouvoir démontrer la possibilité de compenser les interactions faisceau-faisceau à grande échelle dans des conditions proches de l'opération nominale du LHC.Cette thèse rapporte en détails la préparation de cette campagne expérimentale, ainsi que les résultats obtenus. De plus, ces travaux expérimentaux ont été complétés par un important travail de simulations, dont les résultats sont également présentés dans ce document. Enfin, grâce aux simulations, il fut possible de préparer la prochaine mise en route du LHC. Il est en effet prévu de piloter la machine avec les compensateurs dans les conditions nominales d'opération. Ces simulations ont donc permis de tirer des conclusions sur les possibles scenarios opérationnels, et des perspectives pour le futur.

In high intensity and high energy colliders such as the CERN Large Hadron Collider and its future luminosity upgrade, interactions between the two beams around the different interaction points are one of the machine performance limitation. In fact, their effect reduces the beam lifetime and therefore the collider's luminosity reach.In the early 2000's, it was proposed for the first time to use current bearing wires in order to mitigate the effect of those so-called Beam-Beam Long-Range interactions. In 2015, a semi-analytical demonstration of a resonance compensation mechanism motivated the construction and the installation of four demonstrators for the LHC, that took place in 2017 and 2018. A two years long experimental campaign followed.During this campaign, a proof-of-concept was successfully completed and motivated an additional set of experiments, successfully demonstrating the mitigation of the Beam-Beam Long-Range interactions effects in beam conditions compatible with an operational configuration of the collider.In this Thesis, we report in details the preparation of the experimental campaign together with its results. This experimental work has been supported by tracking simulation, whose results are also presented in this document. Finally, simulations also allowed to prepare the next LHC Run 3, operating with the wire compensators, and to draw conclusions and perspectives for the future.