Local optics corrections in the HL-LHC
Authors:   , Coello de Portugal-Martinez Vazquez Jaime Maria 
Published: October 2023

In order to increase the performance of particle colliders, it is crucial to make the beam sizes at the collision points as small as possible. This causes an increase of the beam size in the region surrounding the collision points thus enhancing the effect of magnetic errors. These errors must therefore be kept under tight control to ensure the performance and safety of the accelerator.
The present thesis studies effects of the expected magnetic errors in the regions around the collision points on the beam optics that determine the beam size in the future High-Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC), a 27 km particle accelerator situated on the French-Swiss border near Geneva, Switzerland.
It has become clear in recent years that in correcting the magnetic errors in this region a crucial requirement is an accurate measurement of the beam optics at the collision point. This thesis demonstrates that the technique used traditionally in recent years, called “K-modulation”, is not accurate enough to ensure the performance of the HL-LHC and therefore alternative methods of performing this measurement must be studied.
To perform these studies a new automatic optics correction tool has been developed and is presented in this thesis. This new tool allows faster and more systematic calculation of corrections of the magnetic errors around the interaction regions and has been successfully tested during commissioning and experiments in the LHC.
Two complementary techniques are proposed in order to improve the accuracy of the determination of the beam sizes at the collision points, namely determining the minimum beam size near the collision point using the “phase-advance” of the beam oscillations around the accelerator and locating the position of this minimum, the “beam waist”, by displacing it and maximising the collision rate characterized by the collider luminosity. In the thesis these techniques are studied theoretically, and the first results of their experimental validation performed in the LHC are presented.
This push for smaller beam sizes at the collision points not only increases the beam sizes in sections around this point but also, though to lesser degree, in the arcs of the accelerator. These regions also become susceptible to smaller magnetic errors. As some regions of the accelerator do not count with adequate corrector magnets alternative solutions are needed. Here we present the first experimental results of an optics correction performed by traversing sextupoles with off-central beam in the LHC as a solution proposal.
Another consequence of the growth of the beam sizes in the regions around the collision points is the eventual necessity for larger beam pipes. This is the case for HL-LHC where the magnetic lenses around the collision points are going to be replaced by new ones with the beam pipe of larger diameter. In order to keep the same magnetic strength though a new superconducting technology is going to be used to build these magnets. A downside of this novelty is that it is susceptible to a type of magnetic instability called “flux-jumps”. In the thesis the effect of the flux-jumps on the beam sizes is studied theoretically and concrete predictions using measurements of this effect on the prototypes of the new magnets of the HL-LHC are given. The study is also extrapolated to the Future hadron-hadron Circular Collider (FCC-hh), a proposed 100 km circular collider, in which superconducting magnets of this type are expected to be installed all around its circumference.
Finally, the thesis presents a summary of software developments performed during the previously mentioned studies, including a user interface to facilitate the use of the automatic correction tool, a new harmonic analysis program that replaces legacy code and many refactors and rewrites that have significantly eased the development of the optics measurements and corrections programs.
Con el fin de incrementar la eficiencia de los colisionadores de partículas, es crucial reducir el tamaño de los haces en el punto de colisión tanto como sea posible. Esto causa un incremento del tamaño de los haces en las regiones que rodean al punto de colisión, lo cual incrementa el efecto dañino de los errores magnéticos. Los errores en esta región deben, por tanto, mantenerse bajo estricto control para asegurar que el acelerador se comporta de forma eficiente y segura. Esta tesis estudia los efectos de los errores magnéticos alrededor de los puntos de colisión en la óptica del haz, la cual determina su tamaño en estos puntos, en la futura mejora de Alta-Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC por sus siglas en inglés), un colisionador de partículas de 27 km de circunferencia situado en Ginebra. En los últimos años se ha hecho evidente que, para corregir los errores magnéticos en estas regiones, es crucial una medida precisa de la óptica del haz en el punto de colisión. Esta tesis demuestra que la técnica de medida usada tradicionalmente, llamada “K-modulation”, no es lo suficientemente precisa para asegurar la eficiencia del HL-LHC y que por lo tanto se deben estudiar métodos alternativos. Para llevar a cabo este estudio, se ha desarrollado y se presenta en esta tesis una nueva herramienta automática de corrección de la óptica. Esta nueva herramienta permite calcular correcciones de los errores magnéticos alrededor de los puntos de interacción de forma más rápida y sistemática, y ha sido probada experimentalmente con éxito en el LHC. Se proponen dos técnicas complementarias que mejoran la precisión de la determinación de los tamaños de los haces en los puntos de colisión: la determinación del mínimo tamaño del haz en la región cercana al punto de colisión usando el “avance de fase” de las oscilaciones del haz y la localización de la posición de este mínimo, desplazándolo y buscando maximizar la frecuencia de las colisiones. En la tesis se estudian estas técnicas de forma teórica y se presentan los primeros resultados de su validación experimental en el LHC. Este impulso para reducir el tamaño de los haces en los puntos de colisión no solo incrementa su tamaño alrededor de este punto sino también, en menor medida, en los arcos. Por tanto, estas regiones también se vuelven sensibles a errores magnéticos más pequeños. Dado que algunas de estas regiones no disponen de imanes correctores, en la tesis se presentan los primeros resultados experimentales en el LHC de una corrección de la óptica atravesando sextupolos con un haz desplazado de su centro. Otra consecuencia del crecimiento del tamaño de los haces en las regiones alrededor de los puntos de colisión es la necesidad de tubos del haz de mayor diámetro. Ese es el caso en HL-LHC, donde las lentes magnéticas alrededor de los puntos de colisión van a ser remplazadas para aumentar su diámetro. Para poder mantener el mismo campo magnético, una nueva tecnología de superconductores se va a utilizar para construir estos imanes. Una desventaja de esta nueva tecnología es que es susceptible a un tipo de inestabilidad llamada “salto de flujo”. En esta tesis los efectos de estos saltos en el tamaño del haz se estudian de forma teórica y se dan predicciones concretas para el HL-LHC. Este estudio se extrapola también al Futuro Colisionador Circular de hadrones-hadrones (FCC-hh por sus siglas en ingles), un colisionador circular propuesto de 100 km en el cual se espera utilizar superconductores de este tipo alrededor de toda su circunferencia. Finalmente, la tesis presenta un resumen de diferentes desarrollos de software realizados durante los estudios antes mencionados, incluyendo una interfaz de usuario para facilitar el uso de la herramienta automática de corrección, un nuevo programa de análisis harmónico que remplaza código heredado y diversas mejoras y rescrituras de software que han desarrollado