Study of collisional losses in the large hadron collider for Pb-Pb and p-Pb operation

During about one month per operational year, the Large Hadron Collider (LHC) at CERN works as a heavy-ion collider. Fully-stripped Pb-208 ions are accelerated up to 7 Z TeV and brought into collision between themselves (Pb-Pb) or with protons (p-Pb). Four one-month Pb-Pb runs have been executed so far as well as two p-Pb runs. The LHC heavy-ion programme is scheduled to continue in the future, featuring increased luminosity and beam energy. Beam losses caused by ions fragmenting in the collision process risk introducing performance limitations. Most notably, when colliding Pb-Pb nuclei, the bound-free pair production (BFPP) causes a localized power deposition downstream of each interaction point (IP), which can induce beam dumps or the quench of superconducting magnets, hence imposing an upper limit on the luminosity. This work aims both at studying alleviations of BFPP losses at the LHCb experiment, as well as setting up a reliable simulation model that can be used to predict collisional losses in future operation. For the first time a full analysis of the BFPP losses at LHCb has been conducted, adopting the simulation code SixTrack. A partial mitigation strategy by means of orbit bumps, which do not require any new hardware to be installed in the LHC, has been proposed. It would allow to safely increase the levelled luminosity of LHCb by a factor 2-3 in future runs. A new simulation approach to simulate the losses arising around the LHC ring during Pb-Pb and p-Pb collisions has been presented and benchmarked. It relies on the SixTrack-FLUKA coupling to simulate the beam-beam collisions at the IPs and track the collision products. Collisional lossmaps have been simulated and compared to the measured data for both 2018 Pb-Pb and 2016 p-Pb runs. The simulation approach proposed has proven capable of providing results with an excellent agreement with experimental data and it can be considered a valid tool to estimate the beam losses for future operation. Consequently, the prediction of Pb-Pb and p-Pb master lossmaps for future runs has been provided, including in the simulation setup all the changes envisaged for the next machine configuration.

Ogni anno di funzionamento, per circa un mese, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN è utilizzato per collidere ioni pesanti. Ioni Pb-208 completamente ionizzati sono accelerati fino a 7 Z TeV e fatti collider tra loro (Pb-Pb) o con protoni (p-Pb). Finora sono state eseguite quattro run Pb-Pb e due run p-Pb. Il programma a ioni pesanti dell'LHC proseguirà in futuro, con maggiori luminosità ed energia del fascio. Le perdite del fascio dovute alla frammentazione degli ioni nelle collisioni possono introdurre limitazioni nelle performance. In particolare, durante le collisioni Pb-Pb, la bound-free-pair-production (BFPP) causa una deposizione di potenza localizzata a valle di ciascun punto di interazione (IP) tale da indurre il dump del fascio o il quench dei magneti superconduttori, imponendo quindi un limite alla luminosità. Questo lavoro si propone di studiare le perdite da BFPP nell'esperimento LHCb, e di creare un modello di simulazione affidabile che possa essere utilizzato per prevedere le perdite collisionali in operazioni future. Per la prima volta è stata condotta un'analisi delle perdite da BFPP in LHCb, utilizzando il codice di simulazione SixTrack. È stata proposta una strategia di mitigazione parziale con orbit bumps, che non richiedono l'installazione di nuovo hardware nell'LHC. Essa consentirebbe di aumentare, senza rischi per la macchina, la luminosità livellata di LHCb di un fattore 2-3 nelle run future. Un nuovo approccio di simulazione, in grado di simulare le perdite che si verificano intorno all'anello dell'LHC durante le collisioni Pb-Pb e p-Pb, è stato presentato e validato. Questo consiste nell'accoppiare i codici SixTrack e FLUKA per simulare le collisioni tra i fasci negli IP e tracciare le traiettorie dei prodotti delle collisioni. Lossmaps collisionali sono state simulate e confrontate con quelle misurate per entrambe le run Pb-Pb del 2018 e p-Pb del 2016. L'approccio di simulazione proposto si è dimostrato in grado di fornire risultati con un eccellente accordo con i dati sperimentali e può essere considerato un valido strumento per predire le perdite del fascio in scenari futuri. Infine, le lossmaps collisionali per le future run Pb-Pb e p-Pb sono state stimate, includendo nel setup di simulazione tutte le modifiche previste per la futura configurazione dell'LHC.