A Novel Method and Error Analysis for Beam Optics Measurements and Corrections at the Large Hadron Collider

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) is currently the world's largest particle accelerator with the highest center of mass energy in particle collision experiments. The control of the particle beam focusing is essential for the performance reach of such an accelerator. For the characterization of the focusing properties at the LHC, turn-by-turn beam position data is simultaneously recorded at numerous measurement devices (BPMs) along the accelerator, while an oscillation is excited on the beam. A novel analysis method for these measurements (N-BPM method) is developed here, which is based on a detailed analysis of systematic and statistical error sources and their correlations. It has been applied during the commissioning of the LHC for operation at an unprecedented energy of 6.5 TeV. In this process a stronger focusing than its design specifications has been achieved. This results in smaller transverse beam sizes at the collision points and allows for a higher rate of particle collisions.

For the derivation of the focusing parameters at many synchrotron light sources, the change of the beam orbit is observed, which is induced by deliberate changes of magnetic fields (orbit response matrix). In contrast, the analysis of turn-by-turn beam position measurements is for many of these machines less precise due to the distance between two BPMs. The N-BPM method overcomes this limitation by allowing to include the measurement data from more BPMs in the analysis. It has been applied at the ALBA synchrotron light source and compared to the orbit response method. The significantly faster measurement with the N-BPM method is a considerable advantage in this case.

Finally, an outlook is given to the challenges which lie ahead for the control of the beam focusing at the HL-LHC, which is a future major upgrade of the LHC.

Der Large Hadron Collider (LHC) ist aktuell der weltgrößte Teilchenbeschleuniger mit der höchsten Schwerpunktsenergie bei Teilchenkollisionsexperimenten. Für die maximal erreichbare Leistungsfähigkeit eines solchen Beschleunigers ist die Kontrolle über die Teilchenstrahlfokussierung unabdingbar. Zur Charakterisierung der Fokussiereigenschaften wird am LHC die Position des zum Schwingen angeregten Strahls für jeden Umlauf an zahlreichen Messinstrumenten (BPMs) entlang des Beschleunigers aufgezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Analyseverfahren für diese Messungen (N-BPM Methode) basierend auf einer detaillierten Untersuchung von systematischen und statistischen Fehlerquellen und ihren Korrelationen gezeigt. Während der Inbetriebsetzung des LHC bei einer bisher unerreichten Energie von 6.5 TeV wurde dieses Analyseverfahren angewandt. Die dabei erreichte Fokussierung ist stärker als im LHC Design vorgesehen. Dies führt zu kleineren transversalen Strahlgrößen an den Kollisionspunkten und ermöglicht so eine höhere Rate von Teilchenkollisionen.

An vielen Synchrotron-Lichtquellen werden zur Bestimmung der Fokussierparameter die Abweichungen der periodischen Teilchenbahn beobachtet, die durch absichtliche Veränderungen der Magnetfelder induziert werden (Orbit Antwortmatrix). Im Gegensatz dazu liefert für viele dieser Maschinen aufgrund der Abstände zwischen den BPMs die Analyse der gemessenen Strahlpositionsdaten pro Umlauf weniger genaue Ergebnisse. Die begrenzte Messgenauigkeit wird durch die N-BPM Methode überwunden, indem es die Analyse der Messdaten von mehreren BPMs ermöglicht. Sie wurde an der ALBA Synchrotron-Lichtquelle angewandt und mit der Orbit Antwortmatrix Methode verglichen. Die deutlich schnellere Messung mit der N-BPM Methode stellt hierbei einen entscheidenden Vorteil dar.

Abschließend wird ein Ausblick auf kommende Herausforderungen in der Kontrolle der Strahlfokussierung am HL-LHC, einer zukünftigen Erweiterung des LHC, gegeben.