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

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

TESLA Beschleunigeranlage

33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop

Ringbeschleuniger LEP: Emax 209 GeV U 22,7 km R 3,7 km Energieverlust: LEP ΔE = 2.7 GeV 100 MW oder 15000 SFr/h

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: 1 10-19 pro Kollision TESLA: 5 10-13 pro Kollision  Strahlquerschnitt: 550 nm x 5 nm

Teilchenbeschleunigung Elektrostatischer Beschleuniger Bis einige MeV

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

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

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

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

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

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

Modul-Test: Stufe 3 TESLA Test Facility Strahltest

Resultate:

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

Der TESLA Detektor ähnelt einem LEP Detektor …

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

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

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

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

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

Physik mit TESLA Beispiel: Supersymmetrie

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

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

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

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

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

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

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: 146.00 ± 0.11 GeV χ: 100.02 ± 0.08 GeV ~ 1 Jahr @ √s = 500 GeV Effiziens: 63 % Reinheit: 94 %

SUSY @ LHC Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV ~ ~ Typische Zerfallskette Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV m(g) – m(b2): 63.9 ± 2.4 GeV ~ ~ ATLAS 3 Jahre High Lumi

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

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 ~ ~ ~ ~ ~

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

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 ?

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

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

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

Polarisation bei TESLA Physikpotential Polarisierte Elektronenquelle Polarisierte Positronenquelle

Polarisation bei TESLA Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

Polarisation bei TESLA Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

Polarisation bei TESLA Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

Polarisation bei TESLA Elektron Positron Impuls Spin Eindeutiger Anfangszustand

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

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

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-

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-

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

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-

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

Elektron/Positron Quellen

Polarisierte e- Quelle: Photoeffekt auf GaAs Kristall

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

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

Aufbau des Kristalls Neue Entwicklung: Strained Super Lattice

Polarisierte e- Quelle Strained Super Lattice SLC: <P> = 74 % E158: <P> = 86 % LC spec: <P> = 80 % Ziel: <P> = 90 % Ladung okay Oberfläche empfindlich (UHV < 10-11 Torr) keine RF-guns ?

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 (< 10-11 Torr)

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

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

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

Helikaler Undulator

Helikaler Undulator

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 ≈ 2 1012

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

E166: Testexperiment am SLAC

STAND

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

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

Hoffentlich bald : Danke ….

Power Consumption

XFEL Standort

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

E-166 Background Test, now

Experimental Setup