未来正负电子环形对撞机的若干束流物理效应研究

Circular e+e- colliders have been the most successful and experienced high energy physics facilities. Very mature knowledge has been achieved by the accelerator community in the past years. High energy and high luminosity are the most important objectives of future high energy physics research. Many new accelerator issues has sprung up in the high energy and high luminosity colliders as the boost in performance, the enhancement in beam-beam interaction and the application of new collision scheme. Some new beam-beam effects have already been discovered, and more are expected to be discovered, studied and suppressed. This project will focus on the new beam physics in high luminosity and high energy colliders, such as the nonlinear dynamics, beam-beam effects, collective effects, strong synchrotron radiation and error effects. This project will greatly improve the beam dynamics study and machine design of future circular e+e- colliders. The project will raise the competitiveness of the internal team in the international collaboration with high level research work, and even help the team become the leader in the related field.

环形正负电子对撞机是加速器界设计运行最有经验、最成功的高能物理实验装置，高能量和高亮度是未来高能物理追求的最重要的目标。由于性能的提升，束束作用的增强以及新对撞方案的采用，未来高亮度和高能量对撞机中涌现出了许多新的加速器物理问题。目前的模拟研究已经发现了新的束流现象，可以预期有更多的束流物理问题会被发现、研究和抑制。本项目将对未来高亮度和高能量对撞机中的非线性动力学、束束效应、集体效应、强同步辐射及误差效应和校正等方面新的加速器物理问题展开深入的研究。本课题将有助于推动未来环形正负电子对撞机中关键束流动力学的研究及机器设计工作，有助于国内团队以高水平的研究工作来参与国际交流和合作。关键束流动力学问题的研究解决、甚至新方案的提出将为未来环形对撞机的设计扫清重大障碍，同时也极大地增强我们在相关研究领域中的国际影响力，从跟随者变为平等参与者、甚至成为引领者。

环形正负电子对撞机是加速器界设计运行最有经验、最成功的高能物理实验装置，高能量和高亮度是未来高能物理追求的最重要的目标。由于性能的提升，束束作用的增强以及新对撞方案的采用，未来高亮度和高能量对撞机中涌现出了许多新的加速器物理问题。..课题针对动力学孔径的优化，开发了基于微分演化算法的多目标优化程序，并且实现高效的并行性和可扩展性，给实际机器的设计优化带来帮助。在评估优化后的lattice束流寿命时，发现动力学孔径大的情况，束流寿命不一定大。在CEPC中有很强的lattice 非线性、很强的同步辐射效应（与振荡幅度相关）以及很强的束束作用和束致辐射效应，这些效应的综合可能在长时间的运动中形成边缘粒子，从而对束流寿命产生影响。我们尝试定义耗散映射分析的方法，来表征横向振幅空间中不同位置处的耗散速度。我们对不同lattice的耗散映射进行对比，发现与束流寿命的跟踪结果吻合。在实际动力学孔径的优化中引入耗散速度作为约束条件，可以确保大动力学孔径及更长的束流寿命。..在经典的正负电子储存环对撞机中，我们先考虑阻抗造成的单束流拉伸，然后把拉伸的结果代入到束束作用的分析或模拟中进行对撞性能的研究。纵向的动力学几乎不受束束作用的影响。但是在CEPC中，由于束致辐射的原因，束长会因为束束作用的原因被拉长。自恰的处理方法就是在束束作用的模拟中同时引入弧区的纵向阻抗。我们进行了模拟程序相关功能的开发。模拟研究显示，纵向阻抗的扰动可能会对对撞的稳定性产生重要影响。后续我们还尝试研究了不同的不稳定性抑制方案。这些工作对 CEPC 和 FCCee 的设计都产生重要影响。另外，项目研究还对这一问题开展了解析研究，解释了其中的物理机制。