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SuperKEKB est un collisionneur à très haute luminosité construit pour l’expérience Belle II, constitué d’un anneau de basse énergie (LER) transportant des positrons de 4 GeV et d’un anneau de haute énergie (HER) où circulent des électrons de 7 GeV. Sa mise en service -ou commissioning- se déroulera en trois phases : La phase 1, durant laquelle des faisceaux circulent sans être focalisés au point de collision, a pour but de nettoyer la chambre à vide du gaz résiduel. La seconde phase, où le détecteur Belle II sera en partie installé, permettra le réglage du système de focalisation finale des faisceaux, jusqu’à atteindre une luminosité de 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. La troisième phase correspondra au démarrage de l’expérience Belle II avec une luminosité visée de 10³⁵ cm⁻² s⁻¹ à 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. Dans ce cadre, ma thèse porte sur la conception et la mise en place d’un système permettant le monitorage rapide de la luminosité, système nécessaire pour pouvoir corriger en temps réel les instabilités des faisceaux et ainsi maintenir une luminosité optimale. Afin d’atteindre la haute précision relative souhaitée, de l’ordre de 10⁻³ en 1 ms, la mesure sera basée sur le taux de comptage des particules issues de la diffusion Bhabha radiative à angle nul, processus bien connu et dont la section efficace est importante. Ces particules seront détectées au moyen d’un capteur en diamant, matériau résistant aux radiations et permettant une acquisition très rapide du signal, situé à l’extérieur de la chambre à vide et en aval du point d’interaction. La première partie de cette thèse est consacrée à la recherche des localisations optimales pour le positionnement des capteurs diamants dans chacun des deux anneaux. Au moyen de simulations détaillées, nous avons étudié la dynamique des particules Bhabha lors de leur transport dans les anneaux ainsi que leur interaction avec la matière de la chambre à vide. Ces études ont permis d’ une part d’ identifier un emplacement à 11.9m dans le LER et un autre à 30 m dans le HER, et d’autre part de redéfinir pour l’une d’ entre elle la géométrie locale du tube à vide. La seconde partie, plus expérimentale, s’articule autour de la première phase du commissioning de SuperKEKB et des mesures réalisées au moyen des capteurs diamants que nous avons installés. Dans un premier temps, une étude détaillée des processus de perte single beam (Bremsstrahlung, effet Touschek, diffusion coulombienne) a été réalisée pour le LER en fonction des paramètres du faisceau et du collisionneur (courant, pression, taille transverse des faisceaux). Dans un deuxième temps les résultats de cette étude ont été comparés aux données que nous avons prises de février à juin 2016. Nous avons pu mettre en évidence un bon accord qualitatif et quantitatif entre nos simulations et nos mesures. Cela nous a permis d’estimer que le niveau de bruit de fond attendu dans le cadre des mesures pour le monitorage de la luminosité sera de plus de deux ordres de grandeurs inférieurs au taux du processus Bhabha radiatif à angle nul. / SuperKEKB is a very high luminosity collider dedicated to the Belle II experiment, it consists of a Low Energy Ring (LER) of 4 GeV positrons and a High Energy Ring (HER) of 7 GeV electrons. The commissioning of this machine is split into three phases: phase 1 (single-beam phase) is dedicated to vacuum scrubbing, where beams circulate without focusing at the collision point. Phase 2, for which the major part of the Belle II detector will be installed, will enable the tuning of the final focus system to achieve a luminosity of 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. During phase 3, Belle II physics runs will start with an aimed luminosity up to 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. In this context, the aim of my thesis is to develop and install a fast luminosity monitoring system, which is required for online correction of beam instabilities and maintenance of optimal luminosity. To reach the aimed relative precision of 10⁻³ in 1 ms, the measurement will be based on the radiative Bhabha process at zero photon scattering angle, whose cross-section is large and well-known. These particles will be detected using diamond sensors, resistant to radiation and enabling very fast signal acquisition, to be placed outside of the beam-pipe and downstream of the interaction point. The first part of this work is dedicated to the investigation of the best locations for the diamond sensor positioning in both rings. Using detailed simulations, we studied the dynamics of Bhabha particles during their tracking in the rings and their interaction with the beam pipe material. This led to the identification of two positions, at 11.9 m in LER and at 30 m in HER, and to considering a new geometry for the vacuum pipe in the LER. The second part is related to the phase 1 of the SuperKEKB commissioning and concerns the measurements performed with the diamond sensors that were installed. Single beam loss processes (Bremsstrahlung, Touschek, beam-gas Coulomb scattering) were studied in detail with respect to the LER beam and ring parameters (current, pressure, transverse beam sizes). The results of this study were then compared to the data collected from February to June 2016. We found good qualitative and quantitative agreement between our simulations and measurements. From this we could estimate that the level of background to be expected during luminosity monitoring will be two orders of magnitude smaller than the rate of the radiative Bhabha scattering signal.

Für das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde ein Verfahren zur Kalibration entwickelt und implementiert. Es ist in der Lage, für alle 6580 Kristalle absolute Kalibrationskonstanten zu bestimmen und die zeitliche Änderung der Kristalleigenschaften zu monitorieren. Der Algorithmus basiert auf dem Vergleich von gemessener Energie und erwarteter deponierter Energie von Teilchen aus Ereignissen der Bhabha-Streuung. Die gemessene Energie wird aus einem Cluster von getroffenen Kristallen bestimmt, wobei die Kalibrierung der Einzelkristallenergien durch Multiplikation mit einer Kalibrationskonstante c erfolgt. Die erwartete Energie wird aus einer Monte-Carlo-Simulation extrahiert. Die Minimierung eines chi^2-Terms - in dem erwartete und gemessene Cluster-Energien verglichen werden - bezüglich der Kalibrationskonstanten c, führt zu einem linearen Gleichungssystem mit einer 6580*6580 Matrix, die numerisch invertiert werden kann. Die Methode kalibriert die Kristalle im Energiebereich von 2,5 bis 8 GeV. Bei einer Luminosität von 3*10^33 Ereignissen pro cm^2 und s erlaubt die hohe Rate an Bhabha-Ereignissen am PEP-II-Beschleuniger eine Kalibration mit einer statistischen Genauigkeit von 0,32 % innerhalb von 12 Stunden. Der Einfluss systematischer Unsicherheiten wurde untersucht und zu +0,81% -0,72% abgeschätzt. Durch die Kalibration konnten Energieauflösungen sigma_E / E von 1,8% bei Elektronen mit einer Energie von 7,5 GeV erreicht werden. Im Jahr 2000 wurde von Mitte Mai bis Ende Oktober ein Absinken der Lichtausbeute der Kristalle der Endkappe von etwa 2,8% beobachtet. / A technique to calibrate the CsI(Tl) calorimeter of the Babar experiment was developed and implemented. The method allows a calculation of absolute calibration constants for all 6580 crystals. With these constants, a monitoring of the change of the light yield of the crystals is possible. The algorithm is based on the comparison of the measured energy and the expected deposited energy of particles in Bhabha scattering events. The measured energy is calculated from a cluster of hit crystals. The individual crystal energies are calibrated by a multiplication with a calibration constant c. The expected energy is extracted from a Monte-Carlo-Simulation. Minimizing a chi^2 term - which compares the expected and the measured cluster energies - with respect to the constants c yields a system of linear equations with a 6580x6580 matrix, that can be inverted numerically. The crystals are calibrated in an energy range of 2.5 to 8 GeV. The large rate of Bhabha scattering events at the PEP-II accelerator allows a calibration with a statistical precision of 0.32% within 12 hours of data taking at a luminosity of 3*10^33 events per square centimeter and second. The influence of systematic uncertainties was studied and estimated to be +0.81% -0.72%. Due to the calibration an energy resolution sigma_E / E of 1.8% could be obtained for electrons with an energy of 7.5 GeV. With the calibration constants a decrease in the lightyield of the endcap crystals of 2.8% could be observed between May and October 2000.

Le collisionneur SuperKEKB, dédié à l'expérience Belle II, prévoit une très haute luminosité, inégalée à ce jour. Son objectif est de fournir une luminosité instantanée de 8x10³⁵ cm⁻²s⁻¹ en mettant en collision des faisceaux minuscules au point d'interaction (IP) sur la base du schéma "nano-beam". Par conséquent, un excellent contrôle de l'orbite du faisceau à l’IP est nécessaire pour assurer un recouvrement géométrique optimal entre les deux faisceaux en collision, et ainsi maximiser la luminosité. Dans ce cadre, cette thèse présente le développement et l'implémentation d'un système de monitoring rapide de la luminosité de SuperKEKB basé sur des détecteurs en diamant sCVD. Pour atteindre une précision relative aussi élevée et couvrir une gamme dynamique de luminosité élevée, le processus de diffusion Bhabha radiatif à très petit angle est utilisé, dont la section efficace d’interaction est très importante et relativement bien connue. Des détecteurs diamant sCVD, dont le signal est rapide et qui ont une bonne tolérance au rayonnement, sont utilisés pour détecter les particules chargées dans les gerbes électromagnétiques induites par l’interaction entre les particules Bhabha diffusées et perdues dans le tube à vide du faisceau, et dans les autres matériaux, en particulier un radiateur, à des emplacements choisis spécialement en aval de l'IP, dans les deux anneaux LER et HER. Une simulation de bout en bout du système d'asservissement de l'orbite du faisceau à l'IP basé sur notre signal de luminosité rapide et précis a été réalisé, qui comprend: une estimation du signal du détecteur de diamant sCVD, basé sur des mesures de laboratoire à l'aide d'une source radioactive, la construction de séquences de signal représentative de SuperKEKB comprenant les bruits de fond à un seul faisceau et les particules diffusées par le processus Bhabha, un traitement du signal de luminosité, et la simulation de l'asservissement de l'orbite. Il a été possible de vérifier la faisabilité de ce système pour maintenir la très haute luminosité de SuperKEKB en présence des mouvements du sol et a de déterminer la précision relative du signal de luminosité rapide qu'il est possible d'obtenir toutes les 1 ms. Au cours des phases de mise en service de SuperKEKB, la phase 2 et le début de la phase 3, notre moniteur de luminosité rapide basé sur des détecteurs en diamant sCVD a été installé et utilisé avec succès. Les processus de perte de faisceau, principalement ceux provenant des processus de Bremsstrahlung et de Touschek, ont été étudiés en détail et, par rapport à la simulation, un bon accord a été trouvé. Lors de la mise en service de la collision, des signaux de luminosité intégrés toutes les secondes étaient fournis en continu pour le réglage des paramètres des faisceaux à l'IP. En outre, un signal de luminosité intégré toutes les 1 ms avec la précision relative attendue a également été fourni et utilisé comme entrée du système d'asservissement de l'orbite à l'IP, notamment pour des premiers tests conduits avec succès avec des décalages de faisceau horizontaux introduits volontairement. Davantage de tests de ce système d'asservissement sont attendus pour assurer son bon fonctionnement en continu à l'avenir. Cette thèse présente le développement et l’application d’un système de surveillance rapide de la luminosité basé sur les détecteurs de sCVD diamant de SuperKEKB. / SuperKEKB is at the foremost frontier of high luminosity e⁺e⁻ colliders, dedicated to the Belle-II experiment. It aims to provide an instantaneous luminosity of 8x10³⁵ by involving extremely tiny beams colliding at the Interaction Point (IP) based on the "nano-beam scheme". Therefore, excellent control of its beam orbit at the IP is required to ensure the optimum geometrical overlap between the two colliding beams, and thereby maximize the luminosity. Besides, effective instrumentation to diagnose the behavior of the beam at the IP and possible beam interactions between bunches along the train are also quite essential during the long and rather difficult process of machine tuning towards the nominal beam parameters. This thesis presents the development and application of a fast luminosity monitoring system based on sCVD diamond detectors at SuperKEKB, including: (1),train integrated luminosity signals every 1 ms which will be used as input to the dithering orbit feedback system, its relative precision is expected to be better than 1% when luminosity reaches 10³⁴ (2), sensitive train integrated luminosity signals over a large luminosity dynamic range every 1 s which will be sent to the SuperKEKB control room as immediate observable for machine collision tuning, and (3) bunch integrated luminosity signals every 1 s with sufficient relative precision to monitor the collision performance for each single bunch. To achieve such high relative precision and cover a large luminosity dynamic range, the radiative Bhabha process events at vanishing scattering angle will be measured, whose interaction cross-section is quite large and reasonably well known. The sCVD diamond detectors, which have fast signal formation and good radiation tolerance, were used to detect the charged particles in the secondary showers induced by the interaction between the lost Bhabha scattered particles and the beam pipe and specific radiator materials at carefully chosen locations downstream of the IP in both the LER and HER. A start-to-end simulation was performed on the dithering orbit feedback system using fast, precise luminosity signal as input, which includes: sCVD diamond detector signal estimation based on laboratory measurements with a radioactive source, signal sequence construction at SuperKEKB including single beam backgrounds and Bhabha scattered particles, luminosity signal procession, dithering orbit feedback simulation. It enabled verifying the feasibility of this system to maintain very high luminosity in the presence of ground motion, in particular it determined the relative precision of the fast luminosity signal every 1 ms. Besides, the radiation damage of the sCVD diamond detectors in the LER was also estimated based on a FLUKA simulation and applying the NIEL hypothesis. During the Phase-2 and early Phase-3 commissioning periods of SuperKEKB, our fast luminosity monitor based on sCVD diamond detectors was installed and operated successfully. Single beam loss processes, mainly Bremsstrahlung and Touschek, were studied in detail and compared with the simulation, showing good agreement. During the collision commissioning, train and bunch integrated luminosity signals every 1 s were provided for machine tuning. e.g. the vertical beam sizes were determined with the vertical offset scan technique based on our luminosity signals, both the average and for the individual bunches, which is very important and useful for the collision and IP local optics tuning during the long and rather difficult process of SuperKEKB machine tuning towards the nominal beam parameters. Besides, a train integrated luminosity signal every 1 ms with the expected relative precision was also provided and used as input to the dithering orbit feedback system for its first successful tests with deliberately introduced horizontal beam-beam offsets. More tests on the dithering orbit feedback system are expected to ensure its future continuous operation.

Für das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde ein Verfahren zur Kalibration entwickelt und implementiert. Es ist in der Lage, für alle 6580 Kristalle absolute Kalibrationskonstanten zu bestimmen und die zeitliche Änderung der Kristalleigenschaften zu monitorieren. Der Algorithmus basiert auf dem Vergleich von gemessener Energie und erwarteter deponierter Energie von Teilchen aus Ereignissen der Bhabha-Streuung. Die gemessene Energie wird aus einem Cluster von getroffenen Kristallen bestimmt, wobei die Kalibrierung der Einzelkristallenergien durch Multiplikation mit einer Kalibrationskonstante c erfolgt. Die erwartete Energie wird aus einer Monte-Carlo-Simulation extrahiert. Die Minimierung eines chi^2-Terms - in dem erwartete und gemessene Cluster-Energien verglichen werden - bezüglich der Kalibrationskonstanten c, führt zu einem linearen Gleichungssystem mit einer 6580*6580 Matrix, die numerisch invertiert werden kann. Die Methode kalibriert die Kristalle im Energiebereich von 2,5 bis 8 GeV. Bei einer Luminosität von 3*10^33 Ereignissen pro cm^2 und s erlaubt die hohe Rate an Bhabha-Ereignissen am PEP-II-Beschleuniger eine Kalibration mit einer statistischen Genauigkeit von 0,32 % innerhalb von 12 Stunden. Der Einfluss systematischer Unsicherheiten wurde untersucht und zu +0,81% -0,72% abgeschätzt. Durch die Kalibration konnten Energieauflösungen sigma_E / E von 1,8% bei Elektronen mit einer Energie von 7,5 GeV erreicht werden. Im Jahr 2000 wurde von Mitte Mai bis Ende Oktober ein Absinken der Lichtausbeute der Kristalle der Endkappe von etwa 2,8% beobachtet. / A technique to calibrate the CsI(Tl) calorimeter of the Babar experiment was developed and implemented. The method allows a calculation of absolute calibration constants for all 6580 crystals. With these constants, a monitoring of the change of the light yield of the crystals is possible. The algorithm is based on the comparison of the measured energy and the expected deposited energy of particles in Bhabha scattering events. The measured energy is calculated from a cluster of hit crystals. The individual crystal energies are calibrated by a multiplication with a calibration constant c. The expected energy is extracted from a Monte-Carlo-Simulation. Minimizing a chi^2 term - which compares the expected and the measured cluster energies - with respect to the constants c yields a system of linear equations with a 6580x6580 matrix, that can be inverted numerically. The crystals are calibrated in an energy range of 2.5 to 8 GeV. The large rate of Bhabha scattering events at the PEP-II accelerator allows a calibration with a statistical precision of 0.32% within 12 hours of data taking at a luminosity of 3*10^33 events per square centimeter and second. The influence of systematic uncertainties was studied and estimated to be +0.81% -0.72%. Due to the calibration an energy resolution sigma_E / E of 1.8% could be obtained for electrons with an energy of 7.5 GeV. With the calibration constants a decrease in the lightyield of the endcap crystals of 2.8% could be observed between May and October 2000.