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

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

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

Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory Tevatron (1.8 TeV) und LEP (90-200 GeV) haben sich ideal ergänzt a Etablierung des Standardmodells Beispiel: top-Quark LEP+SLD: Massenvorhersage durch Präzision Tevatron: Entdeckung LEP+Tevatron: Vorhersage der Higgs-Masse im SM a Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wir jetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen! Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der nächste Schritt LHC (pp, 14 TeV) Ziele: a 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 g Vereinigung der Kräfte g Gravitation Klaus 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 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Realisierung: TESLA Linearcollider Phase 1: 500 GeV Phase 2: 800++ GeV Luminosität: 300 – 500 / Jahr Polarisierte Strahlen Optionen: gg, eg, ,ep (THERA), eN Freier Elektronen Laser im Röntgenbereich Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Klaus 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 (500-800 GeV) ~ Länge von LEP (200 GeV)! Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Klaus 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) a Stabilität (Toleranzen) a 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 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

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

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

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

Klaus 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 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Physikpotenzial (Highlights) Higgs-Bosonen Supersymmetrie Struktur der Raumzeit Klaus 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 Ist es ein Higgs-Boson ? Ist es verantwortlich für Masse ? Ist spontane Symmetriebrechung die Ursache? Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen “sehen ohne hinzusehen”: Zerfallsunabhängiger Nachweis 100000 Higgs-Bosonen/1-2 Jahren Fast untergrundfrei! Rückstoß-Masse in Ereignissen (Energieerhaltung!) Ds ~ 3% Modellunabhängige Messung Dm ~ 50 MeV Massenpräzision im Subpromille-Bereich: Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

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

Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Higgs-Feld ist verantwortlich für Teilchenmassen g 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 Klaus 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 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Kein Higgs-Boson – was dann? Quantenfeldtheorie mit massiven Austauschteilchen versagt bei hohen Energien: “wenn nichts passiert, muss etwas passieren!” a neue starke Wechselwirkung bei ~1.2 TeV 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 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

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

Der Weg zur großen Vereinheitlichung: Supersymmetrie Beispiel: SUSY-Partner des Myons: Beste Massenbestimmung der SUSY-Teilchen an der Produktions-Schwelle (Promille) Fast untergrundfrei, große Raten: Klaus 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 a Überprüfung von Hypothesen für Physik in der Nähe der Planck-Skala! a Vereinheitlichung der Kräfte? a Bestimmung effektiver String-Parameter Klaus 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 Klaus 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! Klaus 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 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 TESLA: Genaue Massen-Bestimmung (100 MeV) Untersuchung seiner Eigenschaften Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002