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

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Präsentation zum Thema: "Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen Achim Stahl DESY Zeuthen Aachen – 24. Nov. 2003."—  Präsentation transkript:

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

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

4 TESLA Beschleunigeranlage

5 33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop

6 Ringbeschleuniger Energieverlust: 4 π α E 4 ΔE = 3 m 4 R LEP: E max 209 GeV U 22,7 km R 3,7 km LEP ΔE = 2.7 GeV 100 MW oder SFr/h

7 Linearbeschleuniger Schwerpunktsenergie: 50 bis 800 GeV 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 23.4 MeV / Meter 500 GeV 35. MeV / Meter 800 GeV } 11 km

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

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

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

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 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 Impaktparameter1/3 SLD Jet-Energie 1/2 LEP

20 Energie-Fluss Messung e + e - Z 0 H H qq bb bb 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

21 Energie-Fluss Messung Massenrekonstruktion: e + e - νν WW e + e - νν ZZ TESLALEP

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

23 verspricht Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminosität Exzellenter Detektor

24 Physik mit TESLA Beispiel: Supersymmetrie

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26 Teilchenspektrum Fermionen Bosonen Bosonen Fermionen Supersymmmetrie gebrochen m(X) ~

27 SUSY Motivation 1 Hierarchie Problem Elektronenmasse e Strahlungskorrekturen δm e 0.2 m e Higgsmasse H H f δm H GeV f ~ H H δm H 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 massiv schwach wechselwirkend WIMP Weakly Interacting Massive Particle m 200 GeV

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

31 LHC + TESLA ergänzen sich: typisches SUSY Massenspektrum LHC q, g: hoher WQ; einfach nachweisbar l: WQ sehr klein; kaum nachweisbar TESLA q, g: meist ausserhalb der des Massenbereiches l: einfach nachweisbar; präzise zu vermessen GeV Higgs s-Leptonen χ 0 χ ± s-quarks

32 TESLA e+e+ e-e- μ+μ+ μ-μ- χ0χ0 ~ χ0χ0 ~ μ-μ- ~ μ+μ+ ~ e + e - Z 0 μ + μ - ~ 1 s = 500 GeV Effiziens: 63 % Reinheit: 94 % Kinematische Endpunkte Massen μ: ± 0.11 GeV χ: ± 0.08 GeV ~ ~

33 LHC Typische Zerfallskette Massenrekonstruktion m(g) – m(b 1 ): 98.1 ± 1.4 GeV m(g) – m(b 2 ): 63.9 ± 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 LHCLHC + TESLA g qLqL qRqR b1b b2b ~ ~ ~ ~ ~

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

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

38 LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ? H1 findet Überschuss: Isolierte Leptonen mit p T 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 hier: Modell ausgeschlossen H ++ e+e+ e-e- e+e+ e-e-

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

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 fLfL fRfR fRfR ~ gleiche Massen versch. Massen ? fLfL fRfR M1M1 M2M2 Wie gehören sie zusammen ? fLfL ~

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

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

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

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

51 Bsp: S-Muon Erzeugung μ+μ+ ~ e+e+ e-e- μ-μ- ~, Z e+e+ e-e- W+W+ W-W- ν Signal Haupt-Untergrund μ μ χ 0 ~ W μ ν detektiert unsichtbar detektiertunsichtbar

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

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: = 77 % (97/98)

57 Neue Entwicklung: Strained Super Lattice Aufbau des Kristalls

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

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

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

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

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

63 Helikaler Undulator

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65 E166 Prototyp Ø 0.89 mm Prototyp of TESLA Undulatorspulen e-Energiemin. 150 GeV Undulatorperiode1.4 cm Undulatorlänge135 m Photon-Energie< 10 MeV Ausbeute1 / e - / m

66 Positron Produktion Paar Produktion in 0.5 X 0 Ti-W Target polarised photons polarised positrons für 100 % pol. Photonen Pos.Pol.: -spec. x -pol. x pair x e + -pol. x capture prob.

67 E166: Testexperiment am SLAC

68 STAND

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

70 Aktueller Stand 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 Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP (ACFA / HEPAP / ECFA)

71 Hoffentlich bald : Danke ….

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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


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