Interaction Region Design for a 100 TeV Proton-Proton Collider

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons hat ein Messprogramm begonnen, bei dem die Eigenschaften dieses neuen Teilchens mit der höchstmöglichen Präzision untersucht werden soll um die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik zu prüfen und nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Für dieses Ziel wird der Large Hadron Collider (LHC) und sein Upgrade, der High Luminosity-LHC bis etwa zum Jahr 2035 laufen und Daten produzieren. Um an der Spitze der Teilchenphysik zu bleiben, hat die “European Strategy Group for Particle Physics” empfohlen, ambitionierte Nachfolgeprojekte für die Zeit nach dem LHC zu entwickeln. Entsprechend dieser Empfehlung hat das CERN die “Future Circular Collider” (FCC) -Studie gestartet, die die Machbarkeit neuer Speicherringe für Teilchenkollisionen (Collider) untersucht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Wechselwirkungszonen für FCC-hh, einem Proton-Proton-Speicherring mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV und einem Umfang von 100 km, beschrieben. Die Wechselwirkungszone ist das Herzstück eines Colliders, da sie die erreichbare Luminosität bestimmt. Es ist daher entscheidend, schon früh im Entwicklungsprozess eine möglichst hohe Kollisionsrate anzustreben. Ausgehend von der optische Struktur der Wechselwirkungszonen des LHC und dem geplanten High Luminosity-LHC (HL-LHC) werden Strategien zur Skalierung hergeleitet um der höheren Strahlenergie gerecht zu werden. Bereits früh im Entwicklungsprozess wird die Strahlungsbelastung durch Teilchentrümmer vom Wechselwirkungspunkt als entscheidender Faktor für das Layout der Wechselwirkungszone identifiziert und eine allgemeine Design-Strategie, die den Schutz der supraleitenden Endfokussierungsmagnete mit einer hohen Luminosität verbindet, wird formuliert und implementiert. Aufgrund des deutlichen Spielraums in Bezug auf beta* wurde die resultierende Magnetstruktur zum Referenzdesign für das FCC-hh-Projekt.The discovery of the Higgs boson is the start of a measurement program that aims to study the properties of this new particle with the highest possible precision in order to test the validity or the Standard Model of particle physics and to search for new physics beyond the Standard Model. For that purpose, the Large Hadron Collider (LHC) and its upgrade, the High Luminosity-LHC, will operate and produce data until 2035. Following the recommendations of the European Strategy Group for Particle Physics, CERN launched the Future Circular Collider (FCC) study to design large scale particle colliders for high energy physics research in the post-LHC era. This thesis presents the development of the interaction region for FCC-hh, a proton-proton collider operating at 100 TeV center-of-mass energy. The interaction region is the centerpiece of a collider as it determines the achievable luminosity. It is therefore crucial to aim for maximum production rates from the beginning of the design process. Starting from the lattices of LHC and its proposed upgrade, the High Luminosity LHC (HL-LHC), scaling strategies are derived to account for the increased beam rigidity. After identifying energy deposition from debris of the collision events as a driving factor for the layout, a general design strategy is drafted and implemented, unifying protection of the superconducting final focus magnets from radiation with a high luminosity performance. The resulting FCC-hh lattice has significant margins to the performance goals in terms of beta*. Protecting the final focus magnets from radiation with thick shielding limits the minimum beta* and therefore the luminosity. An alternative strategy to increase the magnet lifetime by distributing the radiation load more evenly is developed. A proof of principle of this method, the so-called Q1 split, is provided. In order to demonstrate the feasibility of the derived interaction region lattices, first dynamic aperture studies are conducted