The Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment operates at the Large Hadron Collider (LHC) which is the highest energy particle accelerator in the world. CMS is a general purpose detector designed to investigate a wide range of physics, including the search for the Higgs boson. The measurement of photon production in the CMS experiment is crucial since it represents an irreducible background for many new physics searches, such as decay of Higgs to two photon, supersymmetry and extra-dimensions. The study of beam halo contamination is important for the correct measurement of photon production. This thesis presents a way to identify and remove this contamination by using the timing and the shower shape of the photons.

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L'étude détaillée des distributions transverses du halo du faisceau est importante du point de vue des pertes de faisceau et du contrôle du bruit de fond dans ATF2 et les futurs collisionneurs linéaires (FLC). Un nouveau type de capteur diamant sous vide (DSv) déplacable, avec quatre pistes, a été conçu et développé pour la mesure des distributions transverses du halo du faisceau et la détection du spectre des électrons de recul Compton après le point d'interaction (IP) d'ATF2, qui est un prototype à basse énergie (1.3 GeV) de la section de focalisation finale pour les projets de collisionneurs linéaires ILC et CLIC.Cette thèse présente les études du halo du faisceau et des électrons de recul Compton, ainsi que la caractérisation, les études de performance et les tests des capteurs diamant (DS), tant sur PHIL, un photo-injecteur à basse énergie (<10 MeV) au LAL, que sur ATF2. Les résultats des premières mesures du halo du faisceau, utilisant des wire scanner (WS) et un DSv, sur ATF2 sont également présentés et comparés dans cette thèse.Des simulations utilisant Mad-X et CAIN ont été réalisées afin d'estimer le nombre d'électrons composant le halo du faisceau ainsi que le nombre d'électrons de recul Compton. Les résultats des simulations ont indiqué qu'une grande gamme dynamique, supérieure 10⁶ , est nécessaire pour une mesure simultanée du cœur du faisceau, du halo du faisceau et des électrons de recul Compton. Un DSv mono-cristallin, fabriqué par CVD (Chemical Vapor Deposition), a été développé dans ce but.Avant l'installation du capteur diamant, une première tentative de mesure du halo du faisceau a été effectuée en 2013, en utilisant les wire scanners (WS) actuellement installés sur ATF2. En raison de leur dynamique limitée de ~10³ , la distribution du halo du faisceau a été mesurée seulement jusqu'à ~±6σ dans la ligne d'extraction (EXT). Un paramétrage des distributions mesurées du halo du faisceau a montré que les distributions mesurées sont cohérentes avec des mesures faites précédemment, en 2005, sur l'ancienne ligne faisceau d'ATF. Durant ces mesures, une distribution asymétrique du halo vertical du faisceau a été observée pour la première fois en utilisant le WS situé après l'IP, son origine est actuellement sous investigation en utilisant le DSv.Des études pour caractériser des capteurs diamants de dimensions 4.5x4.5x0.5 mm³ ont été réalisées en utilisant des sources α et β. Les paramètres de transport des porteurs de charge (durée de vie, vitesse de saturation, etc.) ont été obtenus en utilisant la technique des courants transitoires (TCT). Par ailleurs, la linéarité de la réponse du DS a été testée sur PHIL avec différentes intensités de faisceau après la fenêtre de sortie de d'accélération. Un signal maximum de 10⁸ électrons a été mesuré, avec une réponse linéaire jusqu'à 10⁷ électrons. Des études similaires de la linéarité ont été faites pour le DSv sur ATF2. Nous avons pu y exploiter avec succès, pour la première fois une gamme dynamique de ~10⁶ , permettant de mesurer simultanément le cœur du faisceau (~10⁹ électrons) et le halo du faisceau (~10³ électrons). Le pick-up électromagnétique induit par le passage du cœur du faisceau et des effets de saturation, qui sont les limitations empêchant actuellement le DSv d'atteindre une gamme dynamique supérieure à 10⁶ , ont également été identifiés et étudiés.Les premières mesures de la distribution horizontale du halo, en utilisant le DSv, ont été effectuées jusqu'à ~±20σx , et ont permis de prouver que le halo du faisceau est collimaté par les ouvertures de la ligne ATF2. Une distribution horizontale du halo compatible avec les paramétrages de 2005 et 2013 a été confirmée. La possibilité de détecter les électrons de recul Compton a été étudiée. Différentes solutions pour accroître la sensibilité des mesures ont été proposées. / The investigation of beam halo transverse distributions is an important issue for beam losses and background control in ATF2 and in Future Linear Colliders (FLC). A novel in vacuum diamond sensor (DSv) scanner with four strips has been designed and developed for the investigation of beam halo transverse distributions and also for the diagnostics of Compton recoil electrons after the interaction point (IP) of ATF2, a low energy (1.3 GeV) prototype of the final focus system for ILC and CLIC linear collider projects. This thesis presents the beam halo and Compton recoil electrons studies as well as the characterization, performance studies and tests of the diamond sensors (DS) both at PHIL, a low energy (<10 MeV) photo-injector at LAL, and at ATF2. First beam halo measurement results using wire scanners (WS) and DSv at ATF2 are also presented and compared in this thesis. Simulations using Mad-X and CAIN were done to estimate the rate of the beam halo and Compton recoil electrons. Simulation results have indicated that a large dynamic range of more than 10⁶ is needed for a simultaneous measurement of the beam core, beam halo and Compton recoil electrons. A single crystalline Chemical Vapor-Deposition (sCVD) based DSv was developed for this purpose. Prior to the diamond detector installation, first attempt of beam halo measurements have been performed in 2013 using the currently installed WS. With a limited dynamic range of ~10³ , the beam halo distribution was measured only up to ~±6σ in the extraction (EXT) line. Parametrizations of the measured beam halo distribution showed a consistent distribution with previous measurements done in 2005 at the old ATF beam line. Meanwhile, an asymmetric vertical beam halo distribution was observed for the first time using the post-IP WS, the origin of which is currently under investigation using the DSv.Studies to characterize DS pads with dimensions of 4.5x4.5x0.5 mm³ were carried out using the α and β sources. Charge carrier transport parameters (lifetime, saturation velocity etc.) were obtained using the transient-current technique (TCT). Furthermore, the linearity of the DS response was tested at PHIL with different beam intensities in air: a maximum signal of 108 electrons was measured with a linear response up to 10⁷ electrons. Similar linearity studies were done for the DSv at ATF2, where we have successfully demonstrated and confirmed for the first time a dynamic range of ~10⁶ by a simultaneous beam core (~10⁹ e-) and beam halo (~10³ e-) measurement using the DSv. Present limitations due to signal pick-up and saturation effects, which prevent the DSv from reaching a dynamic range higher than 10⁶ , were also studied.First measurements of the horizontal beam halo distribution using the DSv were performed up to ~±20σx, where the beam halo was proved to be collimated by the apertures. Horizontal beam halo distributions consistent with the 2005 and 2013 parametrizations were confirmed. The possibility of probing the Compton recoil electrons has been investigated and different ways to increase their visibility have been proposed.

Dans le cadre de l'Approche Elargie pour la Fusion conclue entre le Japon et l'Europe, le projet IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) a été lancé pour l'étude des futurs matériaux pour la fusion qui devront résister à d'intenses flux de neutrons. Un composant majeur en est son ensemble de deux accélérateurs à très haute puissance (2×5 MW) qui produit le flux de neutrons en bombardant une cible de Lithium avec un faisceau de Deutérium à une énergie de 40 MeV. Vues ces spécifications ambitieuses, une première phase appelée EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity) prévoit l'étude et la réalisation d'un accélérateur prototype à l'échelle un jusqu'à 9 MeV au Japon. Le travail de cette thèse concerne le domaine de la Physique des Accélérateurs. Il consiste en des études de dynamique faisceau pour l'accélérateur prototype LIPAc, caractérisé par une intensité et une puissance jamais encore réalisées, exigeant de ce fait des qualités de faisceau exceptionnelles. Les caractéristiques de cet accélérateur, font qu'il requiert de nombreuses études et simulations pour toutes les étapes de sa mise en service. En parallèle, des études de fond sur les interactions coeur-halo et les effets de la charge d'espace dans les accélérateurs intenses, seront aussi menées. En particulier une nouvelle définition du halo d'un faisceau de particules, adaptée à l'étude de ces accélérateurs sera proposée et appliquée. / As part of the Broader Approach to Fusion concluded between Japan and Europe, the IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) project was launched for the study of future fusion materials resisting intense neutron fluxes. A major component of it is the couple of twin high power accelerators (2 × 5 MW) which will produce the neutron flux by bombarding a Lithium target with a deuterium beam at an energy of 40 MeV. Considering these ambitious specifications, a first phase called EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity) is ongoing to provide the design and construction of an up to scale prototype accelerator to an energy of 9 MeV in Japan. The work of this thesis belongs to the field of Accelerators Physics. It consists of beam dynamics studies for the prototype accelerator LIPAc, characterized by unprecedented current and power, thereby requiring outstanding beam quality. The characteristics of this accelerator, makes many studies and simulations for all stages of its commissioning required. Concurrently, background studies on core-halo interactions and on the effects of space charge on high current beams will also be conducted. In particular a new definition of the halo of a particle beam, adapted to the study of these accelerators will be proposed and implemented.

Aux futurs collisionneurs linéaires et circulaires, la présence d’un halo autour du faisceau est susceptible de fortement limiter les performances, et peut également activer, voire endommager, les composants de l’accélérateur. Le halo doit par conséquent est contrôlé par un système de collimateurs efficace. Pour évaluer l’impact sur les expériences de physique des particules ainsi que les efficacités de collimation, une bonne compréhension des mécanismes physiques générateurs de halo est essentielle, pour par exemple prédire les distributions de probabilité de manière fiable. Pour ce faire, une investigation systématique ont été menée à l’Accelerator Test Facility (ATF) du KEK dans le cadre de cette thèse, d’abord à travers une analyse théorique des principales sources de halo dans ATF, puis moyennant le développement et l’implémentation de diagnostiques dédiés aux mesures du halo, dont les résultat sont ensuite présentés et comparés aux prédictions théoriques. Le halo produit par la diffusion des particules du faisceau sur les noyaux des molécules du gaz résiduel dans la chambre à vide (« Beam Gas Scattering » - BGS) est d’abord estimé analytiquement, avec certaines approximations, puis moyennant une simulation Monte-Carlo. Un nombre considérable de particules de halo BGS est prédit, ainsi qu’une dépendance dans la pression de gaz résiduel. Pour étudier la possible formation d’un halo par le mécanisme de diffusion intra-paquet à grand angle dit de « Touschek » en présence d’une dispersion optique résiduelle, le taux de cette diffusion a été estimé en fonction de plusieurs paramètres faisceau pertinents. Une simulation Monte-Carlo de la diffusion intra-faisceau à petit angle (IBS) et de « Touschek » est aussi en cours de développement. Pour tester les prédictions théoriques, les performances d’un détecteur de halo déjà existant basé sur un capteur diamant ont été améliorées moyennant une technique de repondération qui a permis d’en augmenter la gamme dynamique jusqu’à 10⁵. Afin de disposer d’un instrument complémentaire pour mesurer le halo, un moniteur YAG/OTR a aussi été conçu, construit et installé dans la ligne d’extraction d’ATF. Il a pu être montré que la gamme dynamique et la résolution de ce moniteur YAGOTR sont, respectivement, autour de 10⁵ et inférieure à 10 μm. Grâce aux diagnostiques développés pour mesurer le halo du faisceau d’ATF, les distributions transverses et en énergie ont pu être étudiées. L’accord satisfaisant obtenu entre les prédictions théoriques et les mesures, ainsi qu’une dépendance importante dans la pression de gaz résiduel, ont permis de montrer que la distribution verticale du halo est dominée par le mécanisme BGS. Par contre, la distribution horizontale est bien supérieure aux prédictions BGS, et est par ailleurs asymétrique. L’asymétrie observée peut être en partie reliée à la qualité du champ de l’élément pulsé servant à l’extraction du faisceau d’ATF, ainsi qu’à certaines aberrations dans le transport optique. La distribution de probabilité du halo en fonction de l’énergie a par ailleurs pu être mesurée, grâce à une technique nouvelle d’ajustement de la dispersion optique dans le plan vertical, et a été trouvée compatible qualitativement avec le mécanisme de diffusion « Touschek ». Un scénario plausible de génération du halo dans le plan horizontal a ainsi pu être suggéré. / At future linear and circular colliders, beam halo can strongly limit machine performances, cause as well component damage and activation, and should, therefore, be controlled by an efficient collimation system. To evaluate the impact on particle physics experiments and collimation efficiencies, a clear understanding of beam halo formation mechanisms is essential, e.g., to predict halo distribution reliably. For this purpose, systematic investigations have been carried out at the Accelerator Test Facility (ATF) of KEK. In this dissertation, the theoretical analysis of the primary halo sources at ATF and the development of dedicated halo diagnostics are presented. Measurements of beam halo at ATF are also described and compared with the theoretical predictions. Beam halo arising from Beam-Gas Scattering (BGS) in the damping ring was firstly estimated through analytical approximations and a Monte Carlo simulation. A considerable amount of halo particles generated by BGS and the corresponding vacuum dependence have been predicted. To explore the probability of beam halo formation from Touschek scattering in the presence of dispersion, the Touschek scattering rate was estimated with respect to relevant beam parameters. Furthermore, a Monte Carlo simulation of Intra-Beam Scattering (IBS) and Touschek scattering is under development. To probe the theoretical predictions, the performance of an already existing diamond sensor detector was optimized via a data rescaling technique to increase the dynamic range to 1×10⁵. For a complementary diagnostics of beam halo, a YAG/OTR monitor was also designed and installed in the extraction section of ATF2. The dynamic range and resolution of the YAG/OTR monitor have been shown to be around 1×10⁵ and less than 10 μm, respectively. Thanks to the halo monitors developed at ATF2, the transverse halo and momentum tail have been studied. Satisfactory agreement between numerical predictions and measurements as well as a significant vacuum dependence indicate that the BGS process dominates the vertical halo. On the other hand, the horizontal halo appeared to be higher than the prediction from BGS, and moreover asymmetric. The observed asymmetry was shown to be related to the quality of the extraction kicker field and optical aberration. Finally, the momentum tail was for the first time observed by implementing a novel scheme of vertical dispersion adjustment and was found to be qualitatively consistent with the presence of Touschek scattering. A possible scenario for horizontal beam halo formation from Touschek scattering was also suggested.