TESLA: Linearbeschleuniger

Präsentation zum Thema: "TESLA: Linearbeschleuniger"—  Präsentation transkript:

1

2 TESLA: Linearbeschleuniger
Titelpage Achim Stahl DESY Zeuthen

3 TESLA: Linearbeschleuniger
Strukturforschung Teilchenphysik Titelpage: 2 Standbeine Achim Stahl DESY Zeuthen

4 TESLA Beschleunigeranlage

5 33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop

6 Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring)

7 Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ca pro e pro Kollision

8 Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ca pro e pro Kollision Kreisbeschleuni- gung Strahlungsverlust 4 p a E4 DE = m4 R

9 Kein Strahlungsverlust
Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring) Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ca pro e pro Kollision Kreisbeschleuni- gung Kein Strahlungsverlust 500 GeV 800 GeV ? Strahlungsverlust 4 p a E4 DE = m4 R 209 GeV

10 Teilchenbeschleunigung
Elektrostatischer Beschleuniger Bis einige MeV

11 } Teilchenbeschleunigung Mikrowellen-Beschleuniger 10 km
23.4 MeV / Meter  500 GeV 10 km 35. MeV / Meter  800 GeV

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

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

14 Beschleunigungsgradienten
9-zellige Module Produktionsserie Einzelne Zelle Prototyp Chemische Politur Elektropolitur 23.3 +/- 2.3 MV/m ca. 35 MV/m

15 TTF: TESLA Test Facility
Aufbau eines Moduls Aus 8 9-Zellern

16 TTF: TESLA Test Facility
22 MV/m erreicht Blick auf die Quelle entlang des Beschleunigers

17 Teilchenphysik mit TESLA
e+ e- Kollisionen Energie (c.m.) : bis 500 / 800 GeV Luminosität: cm-2 s-1 (bei 500 GeV) - gg e-g e-e- - TESLA – HERA e- Nukleon Giga Z0

18 Auf der Suche nach dem Ursprung der Masse
Neutrino Elektron d-Quark u-Quark Müon s-Quark c-Quark Tau b-Quark t-Quark ~ meV 511 keV ~ 3 MeV ~ 5 MeV ~ meV 105 MeV 120 MeV 1.2 GeV ~ meV 1.8 GeV 4.2 GeV Materie (Fermionen) 175 GeV

19 Auf der Suche nach dem Ursprung der Masse
Gravitation Graviton (?) Elektro- Magnetismus Photon Schwache Kraft W/Z-Boson Starke Kraft 8 Gluonen Masse 0 Masse 0 Masse 0 80.4 GeV Kräfte (Bosonen) 91.2 GeV

20 Higgs-Mechanismus Alle Teilchen sind masselos Alle Teilchen erscheinen
massebehaftet, durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld

21 Kräfte: Reichweite und Masse
Oberfläche ~ r2  Dichte der Feldquanten ~ ---- 1 r2 1  Kraft ~ ---- r2 bei masselosen Feldquanten Coulomb-Gesetz Gravitationsgesetz

22 Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter

23 Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter

24 Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter

25 Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter Uminterpretation

26 Massive Bosonen in der Teilchenphysik
Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g2 v2

27 Massive Bosonen in der Teilchenphysik
Teilchen mit effektiver Masse Uminterpretation

28 Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung
Das Higgs-Boson erscheint selbst

29 Das Hintergrundfeld Oszillator - Potential keine Feldquanten im Vakuum
keine Wechselwirkung der Quanten

30 Das Hintergrundfeld Oszillator - Potential Higgs – Potential
keine Feldquanten im Vakuum keine Wechselwirkung der Quanten Selbstwechselwirkung Feldquanten erfüllen das Vakuum

31 Vier Fragen: Existiert ein Higgs-Feld ? Erfüllt es den ganzen Raum ?
Erzeugt es die Masse der Bosonen ? Erzeugt es auch die Fermion-Massen ?

32 Zwei starke Partner : Higgs Entdeckung bei LHC bei TESLA Studium des
Higgs-Mechanismus Higgs Entdeckung bei LHC bei TESLA

33 Higgs Studien bei TESLA
GH MH gHVV JPC gHff V(F)

34 Forschung mit dem Röntgenlaser
Strukturunter- suchungen Atome, Moleküle, Cluster z.B. Mehrfachionisationen Plasmaphysik Erzeugung und Spektroskopie Festkörperphysik Phasenübergänge Struktur von Flüssigkeiten Oberflächen und Grenzflächen Dynamische Prozesse Materialwissenschaften Hohe Durchdringungskraft Nanostrukturen Chemie Reaktionsdynamik Biomedizin Atomare Struktur biol. Proben Nichtlineare Prozesse Beginn Synch.

35 Forschung mit dem Röntgenlaser
Strukturunter- suchungen Atome, Moleküle, Cluster z.B. Mehrfachionisationen Plasmaphysik Erzeugung und Spektroskopie Festkörperphysik Phasenübergänge Struktur von Flüssigkeiten Oberflächen und Grenzflächen Dynamische Prozesse Materialwissenschaften Hohe Durchdringungskraft Nanostrukturen Chemie Reaktionsdynamik Biomedizin Atomare Struktur biol. Proben Nichtlineare Prozesse

36 Freie – Elektronen - Laser
Undulator P ~ Ne lU lrad = (1 + K2) 2 g2

37 Freie – Elektronen - Laser
Röntgenlaser Self- Amplification of Spontaneous Emission Kohärenz ! P ~ Ne2 lU lrad = (1 + K2) 2 g2

38 Freie – Elektronen - Laser
Röntgenlaser Self- Amplification of Spontaneous Emission Kohärenz ! P ~ Ne2 lU lrad = (1 + K2) Simulation 2 g2

39 TTF - FEL

40 TTF - FEL

41 TESLA - FEL Laserparameter : Wellenlänge: 1-5 Å
Strahlquerschnitt: mm Strahldivergenz: mrad Pulsdauer: fs Bandbreite: Pulsleistung: GW Photonen/Puls:

42 TESLA - FEL Laserparameter : Atomare Ortsauflösung Wellenlänge: 1-5 Å
Strahlquerschnitt: mm Strahldivergenz: mrad Pulsdauer: fs Bandbreite: Pulsleistung: GW Photonen/Puls: Zeitauflösung thermische Bewegungen Hohe Intensität

43 TESLA - FEL Laserparameter : Wellenlänge: 1-5 Å
Strahlquerschnitt: mm Strahldivergenz: mrad Pulsdauer: fs Bandbreite: Pulsleistung: GW Photonen/Puls:

44 TESLA - FEL Laserparameter : Wellenlänge: 1-5 Å
Strahlquerschnitt: mm Strahldivergenz: mrad Pulsdauer: fs Bandbreite: Pulsleistung: GW Photonen/Puls:

45 Bsp. 1: Zeitaufgelöste chemische Reaktionen

46 Relaxation von C9N2H10 Organischer Feststoff  Photochemie
UV-Absorption in Blütenblättern Laserfarbstoff Optoelektronik: Schalter/LEDs Medizin: Flureszensstandard hn Optische Pump-and-Probe Exp.  Energieniveaus X-FEL Pump-and-Probe Exp.  Strukturelle Veränderung Struktur mit Synchro- tronstrahlung bestimmt

47

48 Bsp 2: Strukturanalyse von Biomolekülen
Röntgenbeugung mit Synchro- tronstrahlung (HASYLAB) Mit Synchrotron- strahlung möglich, aber … Nur an kristallisierten Proben Strahlenschädigung der Proben Verbesserung der Auflösung  Röntgenlaser Ein Ribosom koppelt an die RNA

49 Strukturanalyse an Einzelmolekülen
RUBISCO (Enzym, CO2 Aufnahme) Elektornendichte aus der PDB Simuliertes Interferenzmuster Einzelmoleküle ! Rekonstruierte Struktur (3-D)

50

51 Coulombexplosion Lysozym Simulation

52 Status: Empfehlungen HEPAP-Panel / USA
Komitee für Synchrotronstrahlung We recommend that the highest priority of the U.S. program be a high-energy, high-luminosity, electron-positron linear collider, wherever it is built in the world. This facility is the major step in the field and should be designed, built and operated as a fully international effort. Das KFS empfiehlt daher mit größtem Nachdruck die Realisierung der beiden komple-mentären Projektvorschläge, des X-FEL bei DESY in Hamburg …. und des BESSY-FEL in Berlin im VUV- und weichen Röntgenbereich, ….

53 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

54 Kosten :

55 Kosten : Summe Beschleuniger 3136 Mio. Є Röntgenlaser 531 Mio. Є
HEP-Experiment Mio. Є 3887 Mio. Є

56 Zeitplan : Seit 1992 Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bei DESY (TTF) Technical Design Report seit Mai 2001 Begutachtung durch den Wissenschaftsrat 2003 Grundsatzentscheidung durch die Bundesregierung und die beteiligten Länder 2012 Inbetriebnahme ?

57 Hoffentlich bald : Danke ….