Selection criteria of silicon bent crystals for beam collimation in the LHC

Beam collimation is one of the most important topics of accelerator physics, in particular if it deals with a high energy and high intensity machine of the kind of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The aim is removing the so-called halo, i.e. all those particles that populate the beam area which is not included within the 3σ of the Gaussian distribution, as great source of losses. The energy deposition that follows the loss of similar particles is extremely dangerous for the machine, as it could induce quench phenomena in the superconductive magnets distributed all around the ring, whose temperature corresponds to 1.8 kelvin degrees (cryogenic temperatures). Moreover, the beam intensity, or “luminosity”, that the accelerator can reach is strictly correlated and limited by the loss ratio and, hence, by the cleaning efficiency of its collimation system. This master work has been carried out within the UA9 experiment, whose main goal is to prove that the present cleaning apparatus, based on massive amorphous jaws, can be incredibly improved by recurring to tiny silicon bent crystals that, thanks to the channeling effect, can deflect the beam halo in one single step. The purpose of this thesis is to illustrate the advantages that such a solution can bring to the LHC, presenting, at the same time, the results obtained from the data analysis of the test-beams happened between October 2014 and June 2015, when several different crystals were tested, looking for the best candidates to be installed inside the accelerator.

La collimazione del fascio di particelle `e senz’altro uno degli aspetti piu` importanti della fisica di un acceleratore, in particolare per una macchina che lavora ad alte energia ed intensit`a come l’ LHC al CERN. Lo scopo `e quello di pulire il fascio dall’alone, vale a dire da tutte quelle particelle che non si trovano nel core del fascio stesso -entro le 3σ della Gaussiana- bens`ı nelle code. La deposizione di energia a seguito della perdita di tali particelle, infatti, potrebbe indurre fenomeni di quench all’interno dei magneti superconduttori installati lungo tutto l’acceleratore e mantenuti a temperatura criogenica. In aggiunta, l’intensit`a di fascio che LHC pu`o raggiungere `e strettamente correlata al tasso di perdita di particelle e, di conseguenza, all’efficienza di pulizia (cleaning efficiency) del sistema di collimazione. Il presente lavoro di tesi `e stato svolto all’interno dell’esperimento UA9, il cui obiettivo `e quello di dimostrare che l’attuale sistema di collimazione basato su barre di materiale amorfo pu`o essere notevolmente migliorato ricorrendo a sottili cristalli di silicio piegati che, grazie all’effetto di channeling, sono in grado di deflettere l’alone del fascio in un unico stadio. Scopo di questa tesi `e illustrare i vantaggi che l’adozione di questa soluzione apporterebbero all’apparato di collimazione di LHC. Si vuole inoltre mostrare i risultati ottenuti dalle analisi dei dati raccolti durante i test-beam svoltisi tra ottobre 2014 e giugno 2015, nel corso dei quali sono stati misurati numerosi cristalli, ciascuno con caratteristiche particolari, con l’obiettivo di selezionare i migliori da installare all’interno dell’acceleratore.