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1Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der Elektron-Positron Linearcollider TESLA Klaus Desch Uni Hamburg 22. November 2002.

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1 1Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der Elektron-Positron Linearcollider TESLA Klaus Desch Uni Hamburg 22. November 2002 Symposium: Teilchenphysik in Deutschland

2 2Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Überblick Symposium: Teilchenphysik in Deutschland Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory Ziele und Anforderungen Das TESLA-Projekt: Beschleuniger + Detektor Das Physikpotenzial Zusammenfassung und Schlussfolgerung

3 3Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory Zwei Strategien zur Erforschung der Struktur der Materie: 1.Erhöhung der Energie 2.Präzise Messungen Lepton -Collider sind ideal für genaueste Messungen: punktförmige Teilchen nur elektro-schwache Wechselwirkung im Anfangszustand vollständige Rekonstruktion der Ereignisse

4 4Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory Tevatron (1.8 TeV) und LEP ( GeV) haben sich ideal ergänzt Etablierung des Standardmodells Beispiel: top-Quark LEP+SLD: Massenvorhersage durch Präzision Tevatron: Entdeckung LEP+Tevatron: Vorhersage der Higgs-Masse im SM Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wir jetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen!

5 5Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der nächste Schritt LHC (pp, 14 TeV) Ziele: K. Jakobs und Linearcollider 90 - ~1000 GeV Ziele: Präzises Studium der Brechung der elektro-schwachen Symmetrie (Higgs-Mechanismus) und der Phänomene im Bereich < 1 TeV Präzision I: Blick in 1-10 TeV Bereich Präzision II: Blick zu den höchsten Energien Vereinigung der Kräfte Gravitation

6 6Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Anforderungen an einen Linearcollider Energie: mindestens ausbaubar bis Luminosität: Reaktionsraten typisch benötigt tausendfache LEP-Luminosität! Variable Schwerpunktsenergie

7 7Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Realisierung: TESLA Linearcollider Phase 1: 500 GeV Phase 2: GeV Luminosität: 300 – 500 / Jahr Polarisierte Strahlen Optionen:, e,,ep (THERA), eN Freier Elektronen Laser im Röntgenbereich

8 8Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Warum linear? LEP 500 würde benötigen: Umfang 200 km 12 GeV Energieverlust pro Umlauf Kosten Kreisbeschleuniger Kosten Linearbeschleuinger Länge von TESLA ( GeV) ~ Länge von LEP (200 GeV)!

9 9Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Warum supraleitend? Luminosität! effiziente Energienutzung (kleine Verluste in Resonatoren) Betrieb bei kleiner Frequenz (1.4 GHz) Stabilität (Toleranzen) Hochfrequenzerzeugung einfacher Wake-felder Alternative: Warme Resonatoren (NLC,JLC) E~f ? Verluste Toleranzen 1000 fach kleiner HF schwierig Herausforderung für TESLA: Beschleunigungsgradient! LEP-Resonatoren: ~7 MV/m TESLA(30km): 23 MV/m für 500 GeV 35 MV/m für 800 GeV

10 10Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Resonatorentwicklung Niob-Resonatoren Bearbeitung unter Reinraum-Bedingungen Testbeschleuniger: TESLA Test Facility (TTF) Internationale TESLA-Kollaboration:

11 11Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Resonatorentwicklung Module mit industriell gefertigten Resonatoren erreichen routinemäßig >23 MV/m (TESLA 500) Erste neun-zellige Prototypen mit verbesserter Oberflächenbehandlung erreichen 35 MV/m (TESLA 800)

12 12Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Beschleuniger Resonatoren Strahl Kältemodul

13 13Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Detektor Detektor optimiert für Präzisionsphysik Rekonstruktion des gesamten Endzustands Minimierung der systematischen Fehler! Entwicklung neuer Technologien Anforderungen häufig bestimmt durch Higgs-Präzisions-Physik Moderater Untergrund: Detektordesign bestimmt durch hohe Auflösung, nicht Strahlenhärte

14 14Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Planung + Standort 2001: Technischer Design-Report (TDR) Vorschlag TESLA in einer internationalen Kollaboration zu bauen und zu betreiben Standortvorschlag: in Hamburg+Schleswig-Holstein (tangential zu HERA) Begutachtung durch Wissenschaftsrat

15 15Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Physikpotenzial (Highlights) Higgs-Bosonen Supersymmetrie Struktur der Raumzeit

16 16Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Entdeckung und erste Messungen am LHC TESLA: Higgs-Mechanismus etablieren als den Mechanismus der verantwortlich ist für Masse der Elementarteilchen und Brechung der elektro-schwachen Symmetrie 1.Ist es ein Higgs-Boson ? 2.Ist es verantwortlich für Masse ? 3.Ist spontane Symmetriebrechung die Ursache?

17 17Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen sehen ohne hinzusehen: Zerfallsunabhängiger Nachweis Rückstoß-Masse in Ereignissen (Energieerhaltung!) ~ 3% Modellunabhängige Messung m ~ 50 MeV Massenpräzision im Subpromille-Bereich: Higgs-Bosonen/1-2 Jahren Fast untergrundfrei!

18 18Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Higgs-Quantenzahlen: Spin aus SchwellenmessungCP Quantenzahlen aus - Winkelverteilungen von Z und H - Polarisationsanalyse von tau-Leptonen aus Higgs-Zerfällen

19 19Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Higgs-Feld ist verantwortlich für Teilchenmassen Kopplungen müssen proportional zu den Massen sein! Entscheidender Test: Präzisionsanalyse der Higgs-Zerfälle: Konsequenz: Sensitivität auf neue Effekte, z.B. weitere schwere Higgs-Bosonen: Messungen auf dem Prozentniveau

20 20Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Wird das Higgs-Feld im Vakuum durch spontane Symmetriebrechung erzeugt?? Entscheidender Test: Selbstwechselwirkung des Higgsfeldes? Benötigt höchste Luminosität Stellt höchste Detektoranforderungen

21 21Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Kein Higgs-Boson – was dann? Quantenfeldtheorie mit massiven Austauschteilchen versagt bei hohen Energien: neue starke Wechselwirkung bei ~1.2 TeV wenn nichts passiert, muss etwas passieren! Experimentelle Konsequenz: Starke Wechselwirkung in der Drei- und Vier-Boson Kopplungsstärke TESLA: Sensitivität auf Energie-Skala der neuen WW: Drei-Boson-Kopplung: ~ 8 TeV Vier-Boson-Kopplung: ~ 3 TeV

22 22Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der Weg zur großen Vereinheitlichung: Supersymmetrie Typisches SUSY-Teilchen-Spektrum: gut messbar bei LHC präzise Spektroskopie bei TESLA! Higgs-Bosonen S-Leptonen S-Quarks Neutralinos+ Charginos

23 23Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der Weg zur großen Vereinheitlichung: Supersymmetrie Beispiel: SUSY-Partner des Myons: Fast untergrundfrei, große Raten: Beste Massenbestimmung der SUSY-Teilchen an der Produktions-Schwelle (Promille)

24 24Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der Weg zur großen Vereinheitlichung: Supersymmterie Konsequenz der Präzision: Extrapolation der gemessenen Massenparameter (TESLA+LHC) Über viele Größenordungen in der Energieskala Überprüfung von Hypothesen für Physik in der Nähe der Planck-Skala! Vereinheitlichung der Kräfte? Bestimmung effektiver String-Parameter

25 25Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Struktur der Raum-Zeit Wenn es zusätzliche große Raumdimensionen gibt, ist TESLA sensitiv auf Prozesse der Quanten-Gravitation! Bestimmung der Anzahl der neuen Dimensionen und der fundamentalen Planck-Skala Messung des Graviton-Spins = 2

26 26Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Zusammenfassung + Schlussfolgerung LHC und Elektron-Positron-Linearcollider ergänzen sich ideal TESLA+LHC liefern den nächsten großen Schritt im Verständnis der fundamentalen Teilchen und Kräfte Zentrale Fragen: Higgs – Vereinheitlichung der Kräfte – Struktur der Raumzeit Hohe Präzision ist der Schlüssel, der einen Blick zu Energieskalen erlaubt, die zusammen mit der Kosmologie das Verständnis der Entstehung des Universums entscheidend beeinflussen können TESLA: Linearcollider hat technologische Reife erreicht!

27 27Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 SM-Prozesse mit höchster Präzision Top-Quark als schwerstes Quark spielt vermutlich Schlüsselrolle im Verständnis der Rolle der drei Fermion-Familien TESLA: Genaue Massen-Bestimmung (100 MeV) Untersuchung seiner Eigenschaften Paarproduktion von W-Bosonen Selbstkopplung der Eichbosonen W-Masse 6 MeV (Schwelle) Giga-Z (1000 x LEP in 3 Monaten) el.-schw. Mischungswinkel Faktor 10 besser als LEP


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