Ошибка калибровки светимости, определяемой методом вандермееровского сканирования, возникающая из-за электромагнитного взаимодействия пучков с q-гауссовым распределением частиц

Точность калибровки светимости – важная проблема при эксплуатации коллайдеров, от успешного решения которой зависит точность проводимых экспериментов. В адронных коллайдерах калибровка светимости производится с использованием вандермееровского сканирования, целью которого является измерение перекрытия сталкивающихся пучков. При столкновении двух пучков их электромагнитное взаимодействие приводит к изменению перекрытия и, следовательно, к ошибке калибровки светимости. Как правило, этот эффект учитывается в предположении о гауссовом распределении частиц пучка. Однако известно, что распределение в пучках адронных коллайдеров отличается от гауссова, и, в более общем виде, описывается q-гауссовыми функциями. Точный учет электромагнитного взаимодействия становится актуальной задачей при повышении требований к точности измерений светимости (например, в проекте HL-LHC целью является точность 1 %). В данной работе представлена модель электромагнитного взаимодействия пучков с q-гауссовым распределением частиц, оценивается влияние этого взаимодействия на калибровку светимости методом вандермееровского сканирования. Вычисления проведены для условий экспериментов CMS и ATLAS.

1. Grafström P., Kozanecki W. Luminosity determination at proton colliders. Prog. Part. Nucl. Phys., 2015, vol. 81, pp. 97148.

2. Van-der-Meer S. Calibration of the effective beam height in the ISR. CERN Technical Report, 1968, No. CERN-ISRPO-68-31.

3. Drees A., White S. Vernier Scan Results from the First RHIC Proton Run at 250 GeV at Proceedings of International Particle Accelerator Conference, 2010, P. MOPEC013.

4. Drees A. Analysis of vernier scans during RHIC Run-13 (pp at 255 GeV/beam). BNL Technical Report, 2013, No. BNL102438-2013-IR, C-A/AP/488 (RHIC).

5. Sirunyan A. M., Tumasyan A., Adam W. et al. Precision luminosity measurement in proton– proton collisions at = 13 TeV in 2015 and 2016 at CMS. Eur. Phys. J. C, 2021, no. 81(800).

6. Aaboud M., Aad G., Abbott B. et al. Luminosity determination in pp collisions at = 8 TeV using the ATLAS detector at the LHC. Eur. Phys. J. C, 2016, no. 76(653).

7. Igamkulov Z., Cruceru M., Kurepin A. B., et al. Luminosity Measurement and Control at NICA. Phys. Part. Nuclei Lett., 2019, no. 16(6), pp. 744753.

8. Herr W., Pieloni T. Beam-Beam Effects. CERN Accelerator School: Advanced Accelerator Physics Course, 2013, pp. 431459.

9. Balagura V. Van der Meer scan luminosity measurement and beam–beam correction. Eur. Phys. J. C, 2021, no. 81(26).

10. Babaev A., Barklow T., Karacheban O., et al. Impact of Beam-Beam Effects on Absolute Luminosity Calibrations at the CERN Large Hadron Collider. arXiv: 2306.10394 [physics.acc-ph], 2023.

11. Fitterer M., Stancari G., Alexander V., et al. Effect of a Resonant Excitation on the Evolution of the Beam Emittance and Halo Population. CERN Technical Report, 2017, No. CERNACC-NOTE-2017-0037.

12. Timko H., Baudrenghien P., Brunner O., et al. Operational and beam dynamics aspects of the RF system in 2016 at Proceedings of 7th Evian Workshop on LHC beam operation, 2016. p. 193.

13. Fedotov A., Gålnanderm, B., Litvinenko V., et al. Experimental studies of the magnetized friction force. Phys. Rev. E, 2006, no. 73(6), p. 066503.

14. Papadopoulou P., Antoniou F., Argyropoulos T., et al. Modelling and measurements of bunch profiles at the LHC. J. Phys. Conf. Ser, 2017, no. 874, p. 012008.

15. Abed M., Babaev A., Sukhikh L. Luminosity Calibration by Means of Van-Der-Meer Scan for Q-Gaussian Beams. arXiv: 2305.04023 [physics.acc-ph], 2023.

16. Babaev A. Coherent Deflection of Elliptic Bunches Colliding at Crossing Angle. arXiv: 2104.02595 [physics.acc-ph], 2021.

17. Bassetti M., Erskine G. Closed Expression for the Electrical Field of a Two-dimensional Gaussian Charge. CERN Technical Report, 1980, No. CERN-ISR-TH/80-06.