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.

La très haute luminosité visée par les futurs collisionneurs linéaires nécessite une très forte focalisation finale des faisceaux au point d’interaction jusqu’à des dimensions transverses nanométriques. Dans le cadre de ce travail, la ligne de haute énergie de l’ILC délivrant le faisceau au point d’interaction a d’abord été optimisée pour permettre le ‘push-pull’ des détecteurs, ainsi que pour étudier l’impact d’une réduction d’une centaine de mètre de la longueur totale de la ligne. L’objet du travail a ensuite consisté à optimiser la région d’interaction pour conserver la luminosité en présence du détecteur de l’expérience contenant un solénoïde et un dipôle. Dans ce but, un modèle de la région d’interaction a été établi, afin d’être en mesure de simuler le transport du faisceau dans l’ensemble de la ligne de haute énergie en intégrant les éléments non coaxiaux du détecteur. Cette modélisation inclut pour la première fois tous les éléments électromagnétiques de la région d’interaction (cavité crabe, quadripôles et sextupôles du système de focalisation, solénoïde, dipôle intégré au détecteur). Elle a permis l’optimisation de l’anti-solénoïde, élément essentiel du système de correction des effets du solénoïde de l’expérience. Pour mesurer les performances de la machine après compensation totale des effets du solénoïde, un outil de calcul de la luminosité apte à utiliser des distributions quelconques a été développé. On montre alors que l’acceptance en moment de la ligne est réduite en présence du solénoïde compensé. Il a de plus été mis en évidence que l’insertion du solénoïde induit le transfert de l’effet de la cavité crabe du plan horizontal vers le plan vertical, ce qui provoque une nouvelle perte de luminosité. Enfin la dernière partie de ce travail de thèse est consacrée à l’étude de l’application d’une configuration à grand angle de Piwinski aux collisionneurs linéaires. Pour cela les paramètres des effets faisceau-faisceau en présence d’un angle de croisement ont été évalués. Il est possible de réduire la disruption du faisceau après collision en conservant la luminosité, en revanche réduire le paramètre de beamstrahlung est moins aisé en raison de la déviation horizontale de la trajectoire centrale. / Strong focalisation of the beam is mandatory at the interaction point of the future linear collider in order to reach very high luminosity. In this work, the ILC (International Linear Collider) beam delivery system has been re-optimised, first to take the ‘push-pull’ of the two detectors into account, then to evaluate the influence of a reduction of the total length by hundred meters approximately. In the following part, the interaction region has been optimised to restore the nominal luminosity in the presence of the detector, containing a solenoid and a magnetic dipole. Due to the crossing angle of the beams, these elements are not coaxial and a model for the interaction region had to be developed. This model enables to track the beam in the entire beam delivery system, from the end of the linac to the interaction point. The simulation includes for the first time all the electromagnetic elements of the interaction region (crab cavity, final focusing system quadrupoles and sextupoles, solenoid, detector integrated dipole). Thanks to this model, the weak anti-solenoid could be added and optimised as the main corrector of the solenoid effects on the beam. To study the new performances of the collider after full compensation of these effects, a luminosity calculation tool has been developed. It is shown that the momentum acceptance is reduced after compensation of the solenoid effects. Moreover, transverse coupling induces the transfer of the crab cavity horizontal kick to the vertical plane, implying a significant luminosity loss. Finally the last part of the thesis concerns the application of a large Piwinski’s angle to the linear colliders. The calculation of the beam-beam interaction parameters in the presence of a crossing angle is studied. Due to the crossing angle the central trajectory is deviated in the horizontal plane, preventing the beamstrahlung to be reduced at constant luminosity. However the disruption could be made significantly smaller.