Using ALFA detectors for studies of the beam-related background at the LHC

Abstract

Rozprawa porusza problem indukowanego tła wiązki protonowej akceleratora LHC. Indukowane tło wiązki powstaje głównie w wyniku oddziaływania wiązki z infrastrukturą akceleratora oraz w wyniku rozpraszania wewnątrz pakietu protonów. Pomiary indukowanego tła wiązki protonowej wykonuje się przy pomocy dedykowanych detektorów. Detektor taki musi być umieszczony możliwie blisko wiązki oraz powinien umożliwiać pomiary dla poszczególnych pakietów cząstek (ang. bunches). W praktyce detektory są umieszczane w odległościach nie mniejszych niż 50 mm od wiązki LHC, co wynika wprost z budowy akceleratora. Detektor ALFA powstał w celu pomiaru elastycznie rozproszonych protonów w punkcie oddziaływania eksperymentu ATLAS. Elementy detektora są rozmieszczone po obu stronach punktu oddziaływania w odległości około 240~m. Dodatkowo elementy detektora zostały zainstalowane w tzw. Garnkach Rzymskich (ang. Roman Pots) umożliwiających wsunięcie detektorów do rury akceleratora LHC na odległość kilku mm od wiązki. Przedstawione wyżej właściwości detektora pozwoliły autorowi rozprawy postawić tezę że detektor ALFA umożliwia również pomiar indukowanego tła wiązki protonowej. Pomiary rozpraszania elastycznego przy energii wstrzykiwania wiązki LHC, tj. 900 GeV w układzie środka masy oraz przy specjalnej optyce β* = 100 m zostały wykonane w 2018 roku. Poprzedzone były testami przy różnych ustawieniach kolimacji wiązki. W celu przeprowadzenia pomiarów indukowanego tła wiązki protonowej wprowadzono do niej tzw. niezderzające się pakiety, czyli takie, które nie kolidują z pakietami pochodzącymi z drugiej wiązki w żadnym z punktów oddziaływania. Pomiary detektorem ALFA zostały dodatkowo wsparte przez specjalny moduł monitorujący częstotliwości wyzwalania niezależnie dla każdego z pakietów, za którego obsługę i konfigurację odpowiadał autor rozprawy. Analiza została przeprowadzona dla dwóch tzw. runów. W jednym z nich zastosowano kolimatory amorficzne, które są stosowane podczas normalnej pracy akceleratora LHC. W drugim runie zastosowano dodatkowo kolimatory kryształowe. Było to ich pierwsze użycie podczas zbierania danych na akceleratorze LHC. W rozprawie autor wprowadza podstawy dynamiki wiązki protonowej oraz najważniejsze aspekty jej kontrolowania, które są niezbędne do zrozumienia kształtowania się i ewolucji czasowej indukowanego tła wiązki protonowej podczas zbierania danych. Przedstawia również szczegółowy opis budowy detektora oraz przedstawia układy akwizycji danych. Następnie autor przedstawia w jaki sposób zostały zebrane dane wraz z komentarzem do poszczególnych testów kolimacji. W ostatnim rozdziale przedstawiona jest ewolucja czasowa częstotliwości wyzwalania zapisu w~detektorach dla wspomnianych wyżej runów. Pokazano również rozkład tła oraz jego ewolucję czasową. Wyniki przedstawione w niniejszej rozprawie zostały porównane z symulacjami co pozwoliło na dokładniejsze poznanie mechanizmów powstawania indukowanego tła wiązki. W rezultacie zostały opracowane nowe schematy ustawień kolimacji, które mają pozwolić na dalszą redukcję indukowanego tła wiązki protonowej.

The thesis concerns the proton beam induced background at the LHC accelerator. The beam induced background originates mainly from the beam interaction with the LHC infrastructure and from scattering within particle bunch. The measurements of the beam induced background are performed using a dedicated detectors. Such detectors need to be as close to the beam as possible and should allow measurements for each particle bunch separately. At the LHC beam background detectors are placed not closer than 50 mm to the beam core due to mechanical constraints. The ALFA detector is devoted to elastic scattering measurements in the ATLAS interaction point. Detector elements are placed about 240 m from the interaction point on both sides of the ATLAS experiment. Moreover, they are installed in the so-called Roman Pots allowing insertion of the detectors into the LHC beam pipe, to a distance of a few millimetres from the beam core. These features of the detector allowed the author to formulate the thesis showing that it is possible to measure beam induced background using ALFA detector. The elastic scattering measurements at the LHC injection energy, i. e. at 900 GeV in the centre-of-mass reference frame, and at special beam optics with β* = 100 m were performed in 2018. The special runs were preceded by a number of tests with different collimation settings. To perform the beam induced background measurement there were additional non-colliding bunches injected (not colliding with a bunch from the counter-rotating beam in none of the interaction points). To support the measurements with ALFA, a special module monitoring ALFA trigger signals per bunch was programmed and maintained by the author. The data analysis was performed for two LHC runs. One with use of the amorphous collimators like during normal LHC operation. The other one was assisted with crystal collimators. It was the first use of the crystal collimators during physics data-taking at the LHC. The thesis introduces the basics of the beam dynamics and beam control which are essential to understand sources of the beam induced background and its evolution during the run.Detailed description of the detector design including its hardware and data acquisition system are also given. After a detailed introduction, the author presents the process of collecting data and partial results. The last chapter of the thesis author shows the time evolution of the trigger signals during the data-taking. The spatial distribution of the background and its time evolution are also discussed. The results are then compared with the simulations of the particle track spatial distribution, which allowed obtaining more knowledge about the beam induced background mechanisms. As a result the new collimation schemes allowing higher beam induced background reduction were developed.