Investigations of a Novel Bunch Compression Technique for Hadron Accelerators

Abstract

Bunch compression is necessary for many accelerator applications, one of which being the creation of muons for the proposed muon collider. The design of a proton driver to deliver a short and very intense proton pulse to a target for the creation of muons is being developed as part of the International Muon Collider Collaboration. Some challenges with the proposed baseline design, notably the ambitious requirements for the radiofrequency system, motivate the investigation of alternative compression methods. Such a method is developed and investigated in this thesis.

The fundamental idea of this method is that a series of chirped bunch trains can be compressed in the same compressor ring as in the baseline design, removing the need for an accumulator ring and radiofrequency cavities in the compressor ring. To study this novel scheme, the chirp creation was first developed using off-frequency cavities at the end of the linac. A toy model was also developed to investigate the parameters for the compression, giving a basic set of parameters which was then improved upon. The scheme was implemented in the particle-in-cell simulation code PyORBIT, adding non-linear and collective effects to the compression. An iterative process led to an optimised scheme and corresponding set of machine and simulation parameters.

Of most interest in the investigation of the scheme was the impact of collective effects, particularly space charge. This was investigated for two compressor lattices operating above and below transition
respectively. The strength of the space charge forces caused strong instabilities above transition, leading to microbunching, emittance growth and eventually the breaking up of the bunch. It was concluded that this was due to the negative mass instability. This finding prompted the investiga-
tion of a lattice below transition, but in this case the space charge repulsion was found to hinder the compression entirely.

In summary, the collective effects experienced during the compression were found to be too detrimental for realising the proposed scheme with the muon collider parameters in both cases. However, the compression scheme was also investigated at lower bunch intensities, reducing the strength of the collective effects. For the lattice above transition, this allowed for successful compression at 2 % of the original bunch intensity. Based on this, an alternative use case for the scheme is proposed for a neutrino factory, by modifying the repetition rate and bunch structure.

Popular Abstract (Swedish)

Världens mest berömda partikelaccelerator är Large Hadron Collider (LHC) vid CERN i Genéve, som används av fysiker världen över för att undersöka universums minsta beståndsdelar. När protoner kolliderar med hög energi kan stora detektorer användas för att se processer som bara sker på mikroskopiska skalor. Där fungerar inte fysikens lagar på det sätt vi är vana vid, och forskare vill förstå dessa fundamentala processer som bara sker i partikelacceleratorer och kosmiska strålar. Det räcker dock inte att nå höga energier för att göra nya upptäckter, det är också nödvändigt att ha god precision i sina mätningar. På grund av de otaliga interaktioner som sker i en kollision mellan protoner förekommer mycket brus som kan dölja de verkligt intressanta processerna. Av det skälet vill man gärna utföra liknande experiment med elektroner, som är punktformiga partiklar till skillnad från
protoner. Elektroner är dock avsevärt lättare än protoner vilket gör dem svåra att accelerera till höga energier i en cirkulär accelerator eftersom de avger en stor mängd strålning när de böjs. För att råda bot på detta vore det möjligt att använda myoner, en tyngre “kusin” till elektronen, som av just detta skäl är en bra kandidat för experiment inom högenergifysik. Detta har sedan en tid lett till ett intresse för en myon-kolliderare. Det finns dock ett krux, myonerna har en halveringstid på 2.2 µs, vilket gör det svårt att samla en tillräcklig mängd för att utföra sådana experiment.

För att kringgå detta problem måste oerhörda mängder myoner produceras samtidigt, så att de kan fångas in och accelereras innan de sönderfaller. Detta kan göras genom att beskjuta ett mål (ett stort block av exempelvis grafit) med en intensiv och väldigt kort protonstråle. Genom att accelerera protonerna i en linjäraccelerator och sedan komprimera protonbunten kan behovet tillgodoses. Kompressionen sker genom att bygga en cirkulär accelerator där snabba protoner färdas en längre sträcka och hinns ikapp av de långsammare. Genom att variera protonernas energi utifrån deras position i strålen kan den således komprimeras. I vanliga fall kommer denna energi från ett kraftigt elektriskt fält i ringen, men till följd av den korta längden som ska uppnås måste det fältet vara oerhört starkt. För att ana hur starkt kan sägas att samma antal protoner som i den 27 km långa LHC ska komprimeras till en längd på 60 cm.

Denna utmaning görs desto värre av att protoner är positivt laddade partiklar som repellerar varandra. Det är alltså eftersträvansvärt att finna en annan metod för denna kompression, och just en sådan har undersökts i detta projekt. Samma komprimerande accelerator används som ovan, men denna gång skapas energiskillnaden innan acceleratorn med ett fenomen som kallas svävningar. Två vågor med nästan samma frekvens samverkar nämligen och skapar en ny våg med en amplitud som varierar med frekvensskillnaden mellan de två vågorna. Samma koncept används för att stämma instrument, och även för AM-radio, men här appliceras den på det accelererande fältet i linjäracceleratorn. Protonbuntarna får på så vis olika energi beroende på deras position, och kan således komprimeras.

Denna idé utvecklades till en komplett metod inom detta projekt, från en enkel modell till en komplex simulation med miljontals partiklar. Särskilt studerades protonernas interaktion med varandra, alltså vilka effekter som uppstår när de repellerar varandra. Som följd av den höga intensiteten ledde dessa effekter till instabiliteter som slet sönder bunten innan den komprimerats. Således visades alltså att det inte är möjligt att använda denna metod till myon-kollideraren. Genom att minska antalet protoner per bunt visades dock att metoden kan vara användbar för exempelvis framtida neutrinoexperiment, där denna metod skulle minska storleken och energianvändningen på acceleratorn avsevärt.

• author: Holmberg, Johan
• supervisor: Natalia Milas; Francesca Curbis
• organization: Department of Physics; Synchrotron Radiation Research
• course: FYSM64 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Muon collider, bunch compression, proton driver, space charge, negative mass instability, PyORBIT
• language: English
• id: 9243724
• date added to LUP: 2026-06-28 11:29:34
• date last changed: 2026-06-28 11:29:34