Studies of incoherent effects for the upgrade of the large hardon collider and detector applications
Authors: Παράσχου Κωνσταντίνος 
Published: August 2023

Η λειτουργία του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων με πρωτόνια αποκάλυψε ότι οι διαφορετικές υποδέσμες εξελίσσονται με διαφορετικό τρόπο κυρίως λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο συγκρουόμενων δεσμών και λόγω των νεφών ηλεκτρονίων που σχηματίζονται στο εσωτερικό του θαλάμου κενού. Η παρούσα διατριβή μελετά αυτές τις επιδράσεις μέσω μοντελοποίησης με αριθμητικές προσομοιώσεις και ανάλυσης των διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων. Η ανάλυση των ρυθμών απώλειας δέσμης που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του δεύτερου κύκλου λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων, και προσδιορίζει ότι τα νέφη ηλεκτρονίων που σχηματίζονται στον κοινό θάλαμο δέσμης των τετραπολικών μαγνητών κοντά στα σημεία αλληλεπίδρασης υψηλής φωτεινότητας είναι η κύρια αιτία των απωλειών δέσμης. Επιπλέον, η εξέλιξη των παρατηρήσιμων μεγεθών της δέσμης είναι αρκετά αργή ώστε να μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε μια χρονική κλίμακα που διαρκεί πολλές ώρες. Η προσομοίωση τέτοιων χρονικών κλιμάκων είναι συνήθως πολύ χρονοβόρα και μπορεί να καταστεί ανέφικτη η προσομοίωσή τους. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούνται μονάδες επεξεργασίας γραφικών για την παράλληλη προσομοίωση κατανομών σωματιδίων για μεγάλες χρονικές κλίμακες (της τάξης μερικών δεκάδων λεπτών). Οι προσομοιώσεις της μακροχρόνιας επίδρασης της αλληλεπίδρασης δέσμης-δέσμης που έγιναν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής δείχνουν ότι υπό την ασθενή-ισχυρή προσέγγιση αναπαράγεται η ποιοτική συμπεριφορά της εξέλιξης του ρυθμού απώλειας της δέσμης. Επιπλέον, έδειξαν ότι η αλληλεπίδραση δέσμης-δέσμης από μόνη της δεν συμβάλλει στην αύξηση της εκπεμπτικότητας ή στην ανάπτυξη ουρών στις εγκάρσιες κατανομές της δέσμης. Η προσομοίωση της επίδρασης του νέφους ηλεκτρονίων στην αργή υποβάθμιση της δέσμης είναι πιο απαιτητική από ό,τι για την αλληλεπίδραση δέσμης-δέσμης. Λόγω των πολύπλοκων κατανομών ηλεκτρονίων που σχηματίζονται στο νέφος ηλεκτρονίων, οι προσομοιώσεις αυτών των επιδράσεων χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή. Εδώ αναπτύσσεται ένα πλαίσιο για την προσομοίωση της υποβάθμισης της αργής δέσμης λόγω των φαινομένων του νέφους ηλεκτρονίων. Σε αυτό το πλαίσιο, χρησιμοποιείται η ασθενής-ισχυρή προσέγγιση για την εφαρμογή της απεικόνισης που περιγράφει την αλληλεπίδραση με μια κατανομή νέφους ηλεκτρονίων που βρίσκεται στην τυπική δυναμική της ισορροπία. Η κατανομή ηλεκτρονίων υπολογίζεται με προσομοιώσεις σωματίδιο-σε-κελί κατά την προεπεξεργασία και το βαθμωτό δυναμικό που περιγράφει την αλληλεπίδραση παρεμβάλλεται με ένα σχήμα τρικυβικής παρεμβολής προκειμένου να διατηρηθεί η συμπλεκτική δομή της απεικόνισης. Επιπλέον, αναπτύσσεται μια μέθοδος για τη βελτίωση του δυναμικού προκειμένου να καταπολεμηθούν οι περιορισμοί του σχήματος παρεμβολής. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία δείχνουν μια σαφή αργή υποβάθμιση της δέσμης λόγω νεφών ηλεκτρονίων νεφών μέσω της ανάλυσης απεικόνισης συχνότητας, του υπολογισμού του δυναμικού εύρους, καθώς και μέσω της εκτίμησης των ρυθμών απώλειας της δέσμης και της αργής αύξησης της εκπεμπτικότητας από προσομοιώσεις με κατανομές σωματιδίων. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα στοχαστικό και μη γραμμικό μοντέλο για την απόκριση του ανιχνευτή PICOSEC Micromegas στο πλαίσιο της έρευνας και ανάπτυξης για ανιχνευτές σωματιδίων. Το παρουσιαζόμενο μοντέλο κατασκευάζεται με σκοπό να αποκτήσει εικόνα για τους κύριους φυσικούς μηχανισμούς που προκαλούν την παρατηρούμενη συμπεριφορά στην απόκριση του ανιχνευτή, η οποία διαπιστώθηκε τόσο σε μετρήσεις όσο και σε λεπτομερείς προσομοιώσεις. Οι μέθοδοι, τα εργαλεία και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν παρέχουν κρίσιμες πληροφορίες για την αναβάθμιση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων με υψηλή φωτεινότητα και την αναβάθμιση των ανιχνευτών.