Dottorato in FISICA DEGLI ACCELERATORI

Titolo della tesi: FCC-ee collimation system design

Il Future Circular electron–positron Collider (FCC-ee) è un progetto di collisionatore leptonico di nuova generazione, concepito per raggiungere energie senza precedenti e per operare alla frontiera della luminosità, consentendo misure di altissima precisione nei settori elettrodebole e di Higgs. La macchina è progettata per funzionare in quattro modalità operative distinte, con energie di fascio pari a 45.6 GeV, 80 GeV, 120 GeV e 182.5 GeV, ottimizzate rispettivamente per la produzione delle particelle Z, W, H e t-tbar. Grazie a intensità di fascio di gran lunga superiori a quelle di qualsiasi precedente collisionatore leptonico — necessarie per raggiungere luminosità mai ottenute prima — i fasci dell’FCC-ee raggiungeranno energie immagazzinate fino a 17.7 MJ, circa due ordini di grandezza superiori rispetto all’attuale stato dell’arte, rappresentato da SuperKEKB, e comparabili all’energia immagazzinata nei fasci di ioni pesanti del Large Hadron Collider (LHC). L’FCC-ee rappresenta quindi un nuovo regime operativo per i collisionatori leptonici, in cui la combinazione di elevata energia immagazzinata e bassissime emittanze rende i fasci estremamente distruttivi. Questo scenario pone sfide senza precedenti dal punto di vista della collimazione del fascio. Nel caso dell’FCC-ee, un sistema di collimazione è indispensabile non solo per ridurre i fondi indotti dal fascio nei rivelatori sperimentali — come nei precedenti collisionatori leptonici — ma anche per proteggere la macchina stessa dalle inevitabili perdite di fascio. Un sistema di collimazione robusto ed efficiente è quindi essenziale sia per minimizzare i fondi nei rivelatori, sia per garantire la protezione della macchina, la sicurezza operativa e l’affidabilità a lungo termine, obiettivi fondamentali per il raggiungimento dei traguardi di luminosità integrata. Questa tesi presenta uno studio di progettazione completo di un sistema di collimazione del fascio per l’FCC-ee, che combina analisi teoriche e simulazioni avanzate per valutare le prestazioni in un’ampia gamma di scenari di perdita di fascio, sia in condizioni operative nominali sia in condizioni anomale. In questo lavoro sono state sviluppate routine di simulazione dedicate per modellare le perdite di fascio dovute all’interazione con il gas residuo e allo scattering di Touschek. Gli strumenti e le routine sviluppate sono stati confrontati e validati con dati sperimentali provenienti dal collisionatore SuperKEKB e, in parte, con dati di perdita di fascio del LHC, riproducendo con ottima accuratezza gli andamenti dei fondi indotti dal fascio o i pattern di perdita osservati. Tale validazione ne dimostra l’affidabilità nella previsione delle prestazioni del sistema di collimazione non solo per l’FCC-ee, ma anche per altri collisionatori esistenti o futuri. Il risultato di questa tesi è una proposta di sistema di collimazione multistadio per l’FCC-ee, attualmente inclusa nel design di base della macchina. Inoltre, il lavoro fornisce una documentazione completa dei principi e dei metodi per lo sviluppo di un sistema di collimazione robusto ed efficiente per qualsiasi futuro collisionatore elettrone–positrone. Le metodologie, gli strumenti e le strategie di progettazione sviluppati costituiscono una base solida per le future ottimizzazioni del sistema di collimazione dell’FCC-ee e avranno un ruolo chiave nella prossima fase di progettazione tecnica della macchina. Infine, sono presentati studi complementari su un sistema di collimazione a cristallo, che ne dimostrano il promettente potenziale e lo identificano come un’interessante alternativa ai sistemi di collimazione tradizionali.