Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen

Präsentation zum Thema: "Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen"—  Präsentation transkript:

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2 Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen
Achim Stahl DESY Zeuthen Aachen – 24. Nov. 2003

3 Inhalt Das TESLA Projekt Űberblick Physik mit TESLA
Stand der Technik Physik mit TESLA Beispiele Polarisation bei TESLA Ziele Realisierung Status

4 TESLA Beschleunigeranlage

5 33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop

6 Ringbeschleuniger LEP: Emax 209 GeV U 22,7 km R 3,7 km Energieverlust:
LEP ΔE = 2.7 GeV 100 MW oder SFr/h

7 Linearbeschleuniger Schwerpunktsenergie: 50 bis 800 GeV Aber:
100 MW Ringbeschleuniger 500 GeV: R = 120 km 800 GeV: R = 800 km Aber: recycled beam Trefferwahrscheinlichkeit LEP-I: pro Kollision TESLA: pro Kollision  Strahlquerschnitt: 550 nm x 5 nm

8 Teilchenbeschleunigung
Elektrostatischer Beschleuniger Bis einige MeV

9 } Teilchenbeschleunigung Mikrowellen-Beschleuniger 11 km
23.4 MeV / Meter  500 GeV 11 km 35. MeV / Meter  800 GeV

10 Teilchenbeschleunigung
Mögliche Verbesserungen : Höhere Feldstärken Grenze: Feldstärken an den Oberflächen Zusammenbruch der Supraleitung Feldemission von Elektronen Längere Beschleunigungsstrecke Grenze: Kosten

11 R&D Programm: Supraleitende Resonatoren
Ziel: Gestartet 1992 von B. Wiik Beschl.Gradient x 5 Kosten x 1/5

12 Beschleunigungsmodule: supraleitend
Extreme Anforderungen Reinheit Rauhigkeit der Oberfläche Chemische Politur Elektropolitur

13 Modul-Test: Stufe 1 Vertikaler Teststand: Nackte Cavity in He-Bad
Simple Antenne CW-Betrieb bei geringer Leistung

14 Modul-Test: Stufe 2 Chechia Teststand: Cavity im Kryostaten - Koppler
- He-Tank - Tuner - etc. Realistischer RF-Puls mit voller Leistung Dauertests

15 Modul-Test: Stufe 3 TESLA Test Facility Strahltest

16 Resultate:

17 Resultate: 23.4 MV/m = 500 GeV Strahltest TTF-1 35 MV/m = 800 GeV
Chechia Test TTF-2 in Vorbereitung

18 Der TESLA Detektor ähnelt einem LEP Detektor …

19 Der TESLA Detektor Auflösung Impuls 1/10 LEP Impaktparameter 1/3 SLD
Jet-Energie /2 LEP

20 Energie-Fluss Messung
Rekonstruktion der Partonimpulse Jet-Energie 60% geladene Teilchen 30% Photonen 10% neut. Hadronen Ideal: ΔE/E = 15%/√E aber Überlapp / Miss-ID erwartet: ΔE/E = 30%/√E e+e-  Z0 H H  qq bb bb

21 Energie-Fluss Messung
Massenrekonstruktion: e+e-  νν WW e+e-  νν ZZ TESLA LEP

22 Vorwärtskalorimeterie
Luminositätsmessung ΔL/L = 10-4 Hermitizität bis 5 mrad Strahlmonitoring GeV

23 Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminosität Exzellenter Detektor
verspricht Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminosität Exzellenter Detektor

24 Physik mit TESLA Beispiel: Supersymmetrie

25

26 Supersymmmetrie gebrochen
Teilchenspektrum Fermionen  Bosonen Bosonen  Fermionen Supersymmmetrie gebrochen m(X) ≠ m(X) ~

27 SUSY Motivation 1  Hierarchie Problem f H e ~ f H Higgsmasse
δmH ≈ 1030 GeV Elektronenmasse  Strahlungskorrekturen δme ≈ 0.2 me e f ~ H δmH ≈ GeV

28 SUSY Motivation 2 Vereinigte Wechselwirkungen An der GUT Skala werden
elektromagnetische WW schwache WW starke WW gleich stark Ideen zur Vereinigung mit Gravitation enthalten Supersymmetrie

29 SUSY Motivation 3 Dunkle Materie Leichtestes SUSY Teilchen stabil
m ≈ 200 GeV Dunkle Materie Leichtestes SUSY Teilchen stabil massiv schwach wechselwirkend WIMP Weakly Interacting Massive Particle

30 Zwei starke Partner: Entdeckung neuer Teilchen bei LHC bei TESLA
Studium der Mechanismen Entdeckung neuer Teilchen bei LHC bei TESLA

31 LHC + TESLA ergänzen sich:
q, g: hoher WQ; ‘einfach’ nachweisbar l: WQ sehr klein; kaum nachweisbar typisches SUSY Massenspektrum GeV 700 600 500 400 300 200 100 Higgs s-Leptonen χ0 χ± s-quarks TESLA q, g: meist ausserhalb der des Massenbereiches l: einfach nachweisbar; präzise zu vermessen

32 SUSY @ TESLA ~ χ0 μ+ ~ μ+ e+ e- ~ μ- ~ χ0 μ- μ: 146.00 ± 0.11 GeV ~
e+e-  Z0  μ+μ- ~ ~ μ+ μ+ ~ e+ e- μ- ~ χ0 ~ μ- Kinematische Endpunkte  Massen μ: ± GeV χ: ± 0.08 GeV ~ 1 Jahr @ √s = 500 GeV Effiziens: 63 % Reinheit: 94 %

33 SUSY @ LHC Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV ~ ~
Typische Zerfallskette Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): ± 1.4 GeV m(g) – m(b2): ± 2.4 GeV ~ ~ ATLAS 3 Jahre High Lumi

34 LHC + TESLA ergänzen sich:
Gluino s-quarks s-leptons Neut./Charginos Higgs

35 LHC + TESLA brauchen einander:
LHC: Massendifferenzen  starke Korrelationen TESLA liefert Massenskala LHC LHC + TESLA g 8.0 6.4 qL 8.7 4.9 qR 11.8 10.9 b1 7.5 5.7 b2 7.9 6.3 ~ ~ ~ ~ ~

36 LHC + TESLA brauchen einander:
Rekonstruktion der fundamentalen Theorie s-Fermionen 1. Gen. s-Fermionen 3. Gen. Gaugino TESLA TESLA LHC wenige Naturkonstanten 105 Parameter Massen

37 modifizierter Trigger
LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ? Ein mögliches Szenario Präzisionsmessung bei TESLA zeigt Anomalie Potentielle Modelle entwickelt 1. modellunabhängiges ‘screening’ aller Ereignisse 2. modellunabhängige Signale durch Präzision LHC identifiziert Modell durch komplementäre Reaktionen dedizierte Suche modifizierter Trigger Detektor-upgrades Ein wahrscheinliches Szenario ?

38 LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
H1 findet Überschuss: Isolierte Leptonen mit pT Mögliches Modell: Higgs Tripletts mit starker Yukawa Kopplung zur 1.ten Generation

39 LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
In Folge: OPAL sucht nach ähnlichen Phänomenen e+ e- H++ e+ e- hier: Modell ausgeschlossen

40 TESLA + LHC Untersuchen unterschiedliche Aspekter neuer Phänomene
Erst gemeinsame Analysen zeigen das ganze Bild Nur mit zeitlichen Überlapp lassen sich die Projekte voll ausnützen Beispiel: Supersymmetrie

41 Polarisation bei TESLA
Physikpotential Polarisierte Elektronenquelle Polarisierte Positronenquelle

42 Polarisation bei TESLA
Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

43 Polarisation bei TESLA
Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

44 Polarisation bei TESLA
Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

45 Polarisation bei TESLA
Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

46 SUSY Partner fR fL fL ~ fR ~ fL fR M1 M2 gleiche Massen
versch. Massen ? fL fR M1 M2 Wie gehören sie zusammen ?

47 Bsp: S-Elektron Erzeugung
~ e- , Z Rekonstruktion der Massen aus der Zerfallskinematik e+ e+ ~ ν ~ e- ~ e-

48 e- e+ J = 1 e+ ~ e- , Z e+L ~ e-L e+R e-R e+ e+ ~ e+R ~ e-R ν e- ~ e-
and e+ e+ ~ e+R ~ e-R ν ~ e- ~ e-

49 e- e+ J = 1 e+ ~ e- , Z e+L ~ e-L e+R e-R e+ e+ ~ e+L ~ e-L ν e- ~ e-
and e+ e+ ~ e+L ~ e-L ν ~ e- ~ e-

50 e- e+ J = 0 e+ ~ e- , Z e+ e+ ~ e+L ~ e-R ν ~ e- ~ e-

51 Bsp: S-Muon Erzeugung μ+ ~ e+ e- μ- , Z Signal μ  μ χ0 e+
detektiert unsichtbar e+ Haupt-Untergrund W+ W  μ ν ν W- detektiert unsichtbar e-

52 e- e+ J = 1 R L μ+ ~ e+ e- μ- , Z erlaubt e+ W+ verboten:
Paritätsverletzung ν W- e-

53 Elektron/Positron Quellen

54 Polarisierte e- Quelle:
Photoeffekt auf GaAs Kristall

55 Polarisierte e- Quelle
einfaches Modell + Spin-Bahn Kopplung + Anisotroper Kristall

56 Aufbau des Kristalls 100 nm GaAs SLC Quelle: <P> = 77 % (97/98)

57 Aufbau des Kristalls Neue Entwicklung: Strained Super Lattice

58 Polarisierte e- Quelle
Strained Super Lattice SLC: <P> = 74 % E158: <P> = 86 % LC spec: <P> = 80 % Ziel: <P> = 90 % Ladung okay Oberfläche empfindlich (UHV < Torr) keine RF-guns ?

59 Polarisierte e- Quelle
Strained Super Lattice charge limit overcome high polarisation SLC: <P> = 74 % E158: <P> = 86 % LC spec: <P> = 80 % Goal: <P> = 90 % but ... GaAs crystals are very sensitive  need UHV (< Torr)

60 Konventionelle e+ Quelle:
unpolarisiert Targets nahe der Zerstörungsschwelle 3 Targets +1 Reserve Photonen günstiger

61 Polarisierte e+ Quelle:
TESLA baseline design: Undulator basierte Quelle Idea by Balakin and Michailichenko (1979)

62 Helikaler Undulator Magnetstruktur: rotierendes Feld
Strom Erzeugt zikular pol. Synchrotronstrahlung e-Strahl Strom VLEPP 1986

63 Helikaler Undulator

64 Helikaler Undulator

65 Helikaler Undulator e-Energie min. 150 GeV Undulatorperiode 1.4 cm
Prototyp of TESLA Undulatorspulen E166 Prototyp Ø 0.89 mm e-Energie min. 150 GeV Undulatorperiode 1.4 cm Undulatorlänge 135 m Photon-Energie < 10 MeV Ausbeute 1  / e- / m ≈

66 Positron Produktion Paar Produktion in 0.5 X0 Ti-W Target
für 100 % pol. Photonen Paar Produktion in 0.5 X0 Ti-W Target Pos.Pol.: -spec. x -pol. x pair x e+-pol. x capture prob. polarised photons  polarised positrons

67 E166: Testexperiment am SLAC

68 STAND

69 Drei Projektvorschläge
DESY/Hamburg Supraleitend, 1.3 GHz USA (FermiLab) normalleitend S-Band GHz Next Linear Collider Japan (KEK) normalleitend S-Band 11.4 GHz Japanese Linear Collider

70 Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP
Aktueller Stand Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP (ACFA / HEPAP / ECFA) März 2001: TESLA Technical Design Report Dez. 2002: Empfehlung durch den WR Feb. 2003: BMBF internationale Einigung abwarten Ende 2004: Wise Persons Technologieempfehlung 2006/2007: Standortentscheidung / Genehmigung ≈ 2015: Experimentierbetrieb

71 Hoffentlich bald : Danke ….

72

73 Power Consumption

74 XFEL Standort

75 E-166 Beamline Schematic 50 GeV, low emittance electron beam
2.4 mm period, K=0.17 helical undulator 0-10 MeV polarized photons 0.5 rad. len. converter target 51%-54% positron polarization

76 E-166 Background Test, now

77 Experimental Setup