ETD

• accelerator physics
• CERN
• Montague resonance
• space charge

This thesis investigates space-charge-driven resonances in the CERN Proton Synchrotron Booster (PSB) and their impact on the preservation of flat beams, a key requirement for the Physics Beyond Colliders programme. Particular attention is devoted to the Montague resonance (2Qx−2Qy=0), analysed for the operational Q4Q4 optics and for the alternative split-tune configurations Q3Q5 and Q5Q3. Resonance Driving Term calculations and Frequency Map Analysis show that Q4Q4 systematically excites the Montague resonance together with the integer resonances 4Qx=16 and 4Qy=16, while Q3Q5 and Q5Q3 strongly suppress these mechanisms. Long-term simulations of the beam, performed with a self-consistent Particle-In-Cell space-charge model, confirm this picture: Q4Q4 exhibits significant transverse emittance exchange and particle losses near the Montague resonance condition, while Q3Q5 preserves the flat-beam configuration with losses below 5%. Static simulations at fixed energy further isolate the resonance dynamics from the acceleration cycle, highlighting the contribution of the integer resonance 4Qy=16. The results show that Q3Q5 provides an effective mitigation strategy, although the origin of residual losses in Q4Q4 away from the resonance condition remains open and calls for further investigation.

Questa tesi indaga le risonanze indotte dalla carica spaziale nel Proton Synchrotron Booster (PSB) del CERN e il loro impatto sulla preservazione di fasci piatti, requisito chiave per il programma Physics Beyond Colliders. Particolare attenzione è dedicata alla risonanza di Montague (2Qx−2Qy=0), analizzata per l'ottica operativa Q4Q4 e per le configurazioni alternative a tune separati Q3Q5 e Q5Q3. Il calcolo dei Resonance Driving Term e l'analisi Frequency Map Analysis mostrano che Q4Q4 eccita sistematicamente la risonanza di Montague insieme alle risonanze intere 4Qx=16 e 4Qy=16, mentre Q3Q5 e Q5Q3 sopprimono fortemente questi meccanismi. Simulazioni a lungo termine del fascio, condotte con un modello di carica spaziale Particle-In-Cell autoconsistente, confermano questo quadro: Q4Q4 mostra un significativo scambio di emittanza trasversale e perdite di particelle in prossimità della condizione di risonanza di Montague, mentre Q3Q5 preserva la configurazione di fascio piatto con perdite inferiori al 5%. Simulazioni statiche a energia fissa isolano ulteriormente la dinamica risonante dal ciclo di accelerazione, evidenziando il contributo della risonanza intera 4Qy=16. I risultati mostrano che Q3Q5 costituisce una strategia di mitigazione efficace, sebbene l'origine delle perdite residue in Q4Q4 lontano dalla condizione di risonanza rimanga aperta e richieda ulteriori indagini.