+ All Categories
Home > Documents > Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible...

Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible...

Date post: 23-Jun-2020
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
30
Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in the LHC W. Herr, CERN (for LHC Beam-Beam Studies Team) Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011
Transcript
Page 1: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Observations of Beam-Beam Effects

at High Intensities in the LHC

W. Herr, CERN

(for LHC Beam-Beam Studies Team)

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 2: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Beam-beam effects in the LHC

Some important features of the LHC:

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Equally charged beams and separate rings

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Large number of bunches

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Strong-strong beam-beam interaction

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Users (experiments) with very different requirements

All have significant implications for beam-beam effects

Studied in dedicated tests and during operation

An overview, details presented in posters

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 3: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Where it happens: LHC collision layout

IP1

beam2beam1

IP3

IP8

IP5

IP6

IP7

IP4

IP2

Two rings with 4 interaction regions (4 experiments)

High luminosity (strong long range) in IP1 and IP5

(opposite in azimuth)

”Low” luminosity in IP2 and IP8

Page 4: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

LHC bunch filling pattern

......

72 bunches

∆ t 3∆ t 2 ∆ t 1

∆ t 1

∆ t 2

∆ t 3

∆ t 4

8 bunches missing

38 bunches missing

119 bunches missing

total number of bunches: 2808

39 bunches missing

∆ t 4

Large number of bunches for high luminosity,

(nominal: max. 2808 bunches)

Arranged in 39 trains of 72 bunches, spaced by 25 ns,

with gaps between trains

Page 5: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Large number of bunches

������������������������������

������������������������������

Head-on

������������������������������

������������������������������

Long-range

Implications :

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Crossing angles (horizontal or vertical,

≈ 200 - 300 µrad)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Long range interactions

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Separation typically 8 - 12 σ

What about gaps in the train ?

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 6: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Large number of bunches

������������������������������

������������������������������

Head-onLong-range

Due to gaps:

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

No head-on or long range interactions when bunches

”meet” gaps (once named ”PACMAN” bunches)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Max: 4 head on, 120 long range interactions

Min: 1 head on, 40 long range interactions

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Strong bunch to bunch differences expected

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 7: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

The ”nominal” LHC

Parameters relevant for beam-beam:

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Bunch intensity (1.15 · 1011 p/bunch)

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Bunch emittance (3.75 µm)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

β∗ (0.55 m)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Crossing angle α (≈ 300 µrad)

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Number of bunches (2808, spaced by 25 ns)

Nominal beam-beam parameter: ξ = 0.0035

Can be considered conservative

Defined to reach design luminosity: 1034 cm−2 s−1

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 8: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

The LHC in 2010/2011

Energy is 3.5 TeV instead of 7.0 TeV

Limitations from machine protection, aperture and

electron cloud:

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Bunch spacing 50 ns (max. 1380 bunches)

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Larger β∗ = 1.5 m

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Emittances smaller than nominal (≈ 1.5 - 2.5 µm)

In very first collisions at injection energy:

nominal beam-beam parameter/tune shift exceeded !

Can we collide higher intensities ?

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 9: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Observations: head-on beam-beam effects

Dedicated experiment with fewer bunches

Test maximum beam-beam parameter achievable (at

injection energy), single bunches - head-on only

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Intensity 1.9 · 1011 p/bunch

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Emittances 1.1 - 1.2 µm

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 10: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Observations: head-on beam-beam effects

Dedicated experiment with fewer bunches

Test maximum beam-beam parameter achievable (at

injection energy), single bunches - head-on only

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Intensity 1.9 · 1011 p/bunch

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Emittances 1.1 - 1.2 µm

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Achieved:

ξ = 0.017 for single collision (≈ 5 times nominal !)

ξ = 0.034 for two collision points (IP1 and IP5)

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

No obvious emittance increase or lifetime problems

during collisions

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 11: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Observations: head-on beam-beam effects

Dedicated experiment with fewer bunches

Test maximum beam-beam parameter achievable (at

injection energy), single bunches - head-on only

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Intensity 1.9 · 1011 p/bunch

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Emittances 1.1 - 1.2 µm

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Achieved:

ξ = 0.017 for single collision (≈ 5 times nominal !)

ξ = 0.034 for two collision points (IP1 and IP5)

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

No obvious emittance increase or lifetime problems

during collisions

No long range encounters present !

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 12: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Head-on beam-beam effects

Other observations (during normal operation):

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

LHC allows very flexible bunch filling schemes

Many different used (≈ 60 !)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Different filling pattern implied different collision

pattern

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Different number of head-on collisions (1 - 4)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Overall beam-beam effect very different

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Differences in lifetime and emittance observed

(details: poster TUPZ023)

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 13: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Collision pattern effects

Different losses of bunches with different collision scheme

blue (3 coll), red (2 coll), green (1 coll), black (no coll)

Largest effect at start of the collisions !

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 14: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Luminosity leveling

LHC has 4 experiments:

2 require highest luminosity,

2 require lower luminosity (up to factor 10−4)

Luminosity leveling required (reduce luminosity and

keep constant)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Achieved by transversely offset collisions

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Separation ≈ 4 σ (IP2) and ≈ 1 σ (IP8)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Routinely done without detrimental effects

(details: poster TUPZ025)

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 15: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Strong-strong beam-beam interactions

(Main) implications expected:

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Coherent beam-beam effects

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Strong orbit effects

Requires self-consistent treatment in many (most)

calculations, simple non-linear mapping insufficient

Self-consistent: many bunches, many particles, ”real”

collision pattern

Required new tools and techniques

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 16: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Strong-strong: coherent modes

Coherent beam-beam modes have been observed

colliding few bunches

Provide high degree of symmetry

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Demonstrated by analysis of sum and difference

signals between bunches

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Symmetry breaking suppresses modes as expected

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

More detailed studies foreseen

But not a problem for operation

(details: poster TUPZ029)

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 17: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Experimental study of long range beam-beam interactions

Test long range interactions with present machine in

dedicated experiment, collisions only in 2 experiments

Colliding in IP1 (vertical crossing) and IP5 (horizontal

crossing), alternating planes for partial, passive

compensation

One train of 36 bunches per beam, full complement of

long range interactions (50 ns)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Provides ≈ 32 parasitic encounters

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

In standard operation (2011): separation is kept at

≈ 12 σ (normalized)

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 18: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Experimental study of long range beam-beam interactions

Procedure:

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Reduce crossing angle (separation) in one IP (IP1) in

steps until effect on losses, life times or emittances

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

At reduced separation in IP1: reduce crossing angle

in second IP5 (crossing in other plane)

From simulations: expect effect on dynamic aperture,

i.e. increased losses, but little effect on emittances

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 19: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Scan of crossing angle: luminosity

���������� ������ ������������������ �������������� ����� ! �

100% 90% 80% 70%

Luminosity in IP1 as function of crossing angle in IP1

Reduction factor exactly as calculated !

”Leveling” with crossing angle, no effect on 2nd IP

Page 20: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Scan of crossing angle: losses

2e+09

4e+09

6e+09

8e+09

1e+10

1.2e+10

1.4e+10

1.6e+10

1.8e+10

2e+10

0 10 20 30 40 50 60 70

Inte

grat

ed lo

sses

time (min)

Integrated losses during scan in IP1

100 %(12 σ) 70 %

60 %50 %

40 %(5 σ)

35 %

30 %(4 σ)

40 %

Bunch by bunch loss as function of crossing angle in IP1

Page 21: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Scan of crossing angle

Observations:

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Losses start after some threshold (4 - 5 σ separation)

remember: 32 parasitic encounters !

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Smaller separation leads to increased losses (dynamic

aperture !)

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Little (if any) effect on emittances

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Different bunches have different threshold !

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Strong evidence for PACMAN effects

Page 22: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

PACMAN effects

5e+09

1e+10

1.5e+10

2e+10

2.5e+10

0 10 20 30 40 50 60 70

Integ

rated

losses

bunch number

Integrated losses per bunch

16 long range interactions

7-8 long range interactions

7-8 long range interactions

Integrated losses of the bunches in the train (36 bunches)

Losses directly related to number of long range interactions

So-called ’PACMAN’ bunches have better life time !

(more in: poster TUPZ023)

Page 23: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

PACMAN effects

Due to different number of long range collisions

expected:

Systematic tune differences between nominal and

PACMAN bunches

Could have reduced lifetimes when machine is

optimized for nominal bunches

Bunches at head and tail of train would be lost first

(origin of the name)

Page 24: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

PACMAN effects

Due to different number of long range collisions

expected:

Systematic tune differences between nominal and

PACMAN bunches

Could have reduced lifetimes when machine is

optimized for nominal bunches

Bunches at head and tail of train would be lost first

(origin of the name)

In LHC: alternating crossing scheme (horizontal and

vertical crossing planes) removes tune difference by

compensation

Page 25: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Beam-beam Orbit effects

Strong beam-beam interaction with static offset

produces dipole kick

Orbit changes due to beam-beam kick

Used for LEP: deflection scan

What about orbits for PACMAN bunches ?

Different kicks - different orbits

Cannot be fully compensated by alternating crossing

schemes !

(details: poster WEPC081)

Page 26: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

PACMAN Orbit effects: calculation

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

vertica

l offse

t (mum

)

bunch number

vertical offset IP1

Vertical offset expected at collision point in IP1

Predicted orbits from self-consistent computation (2003)

Cannot be resolved with beam position measurement, but ..

Page 27: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

PACMAN Orbit effects: observation

2011�07�05 file:///afs/cern.ch/user/z/zwe/Desktop/PNG/bcid_vs_posY_pm_posYErr.png #1

Measurement of vertex centroid by LHC experiments

(ATLAS)

Qualitatively: follows exactly predicted behaviour

Page 28: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

SUMMARY

First clear beam-beam observations in the LHC are

presented

Obtained large head-on tune shifts above nominal

Effect of long range interactions clearly visible

Number of head-on and/or long range interactions

important for losses

All observations in excellent agreement with

expectations and well understood

Beam-beam effects should allow nominal luminosity

(at 7 TeV)

Werner Herr, IPAC 2011, 7. 9. 2011

Page 29: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Back up

- backup slides -

Page 30: Observations of Beam-Beam Effects at High Intensities in ...€¦ · LHC allows very flexible bunch filling schemes Many different used (≈ 60 !) Different filling pattern

Other signs of compensation ?

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000

relati

ve lu

mino

sity I

P1

time (s)

IP1 luminosity during IP5 scan

60 %

50 %

40 %

35 %

30 %

Luminosity in IP1 during crossing angle scan in IP5

Separation in IP1 kept constant at 40%

Life time best for equal crossing angles in both IPs

More studies needed


Recommended