TESLA: Linearbeschleuniger Titelpage Achim Stahl DESY Zeuthen
TESLA: Linearbeschleuniger Strukturforschung Teilchenphysik Titelpage: 2 Standbeine Achim Stahl DESY Zeuthen
TESLA Beschleunigeranlage
33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop
Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring)
Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring) Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ca. 10-19 pro e pro Kollision
Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring) Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ca. 10-19 pro e pro Kollision Kreisbeschleuni- gung Strahlungsverlust 4 p a E4 DE = --------- ---------- 3 m4 R
Kein Strahlungsverlust Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger (Speicherring) Wechselwirkungswahrscheinlichkeit ca. 10-19 pro e pro Kollision Kreisbeschleuni- gung Kein Strahlungsverlust 500 GeV 800 GeV ? Strahlungsverlust 4 p a E4 DE = --------- ---------- 3 m4 R 209 GeV
Teilchenbeschleunigung Elektrostatischer Beschleuniger Bis einige MeV
} Teilchenbeschleunigung Mikrowellen-Beschleuniger 10 km 23.4 MeV / Meter 500 GeV 10 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
Beschleunigungsmodule: supraleitend Extreme Anforderungen Reinheit Rauhigkeit der Oberfläche Chemische Politur Elektropolitur
Beschleunigungsgradienten 9-zellige Module Produktionsserie Einzelne Zelle Prototyp Chemische Politur Elektropolitur 23.3 +/- 2.3 MV/m ca. 35 MV/m
TTF: TESLA Test Facility Aufbau eines Moduls Aus 8 9-Zellern
TTF: TESLA Test Facility 22 MV/m erreicht Blick auf die Quelle entlang des Beschleunigers
Teilchenphysik mit TESLA e+ e- Kollisionen Energie (c.m.) : bis 500 / 800 GeV Luminosität: 3.4 1034 cm-2 s-1 (bei 500 GeV) - gg e-g e-e- - TESLA – HERA e- Nukleon Giga Z0
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
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
Higgs-Mechanismus Alle Teilchen sind masselos Alle Teilchen erscheinen massebehaftet, durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld
Kräfte: Reichweite und Masse Oberfläche ~ r2 Dichte der Feldquanten ~ ---- 1 r2 1 Kraft ~ ---- r2 bei masselosen Feldquanten Coulomb-Gesetz Gravitationsgesetz
Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter Uminterpretation
Massive Bosonen in der Teilchenphysik Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g2 v2
Massive Bosonen in der Teilchenphysik Teilchen mit effektiver Masse Uminterpretation
Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung Das Higgs-Boson erscheint selbst
Das Hintergrundfeld Oszillator - Potential keine Feldquanten im Vakuum keine Wechselwirkung der Quanten
Das Hintergrundfeld Oszillator - Potential Higgs – Potential keine Feldquanten im Vakuum keine Wechselwirkung der Quanten Selbstwechselwirkung Feldquanten erfüllen das Vakuum
Vier Fragen: Existiert ein Higgs-Feld ? Erfüllt es den ganzen Raum ? Erzeugt es die Masse der Bosonen ? Erzeugt es auch die Fermion-Massen ?
Zwei starke Partner : Higgs Entdeckung bei LHC bei TESLA Studium des Higgs-Mechanismus Higgs Entdeckung bei LHC bei TESLA
Higgs Studien bei TESLA GH MH gHVV JPC gHff V(F)
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.
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
Freie – Elektronen - Laser Undulator P ~ Ne lU lrad = ------- (1 + K2) 2 g2
Freie – Elektronen - Laser Röntgenlaser Self- Amplification of Spontaneous Emission Kohärenz ! P ~ Ne2 lU lrad = ------- (1 + K2) 2 g2
Freie – Elektronen - Laser Röntgenlaser Self- Amplification of Spontaneous Emission Kohärenz ! P ~ Ne2 lU lrad = ------- (1 + K2) Simulation 2 g2
TTF - FEL
TTF - FEL
TESLA - FEL Laserparameter : Wellenlänge: 1-5 Å Strahlquerschnitt: 100 mm Strahldivergenz: 8 mrad Pulsdauer: 100 fs Bandbreite: 8 10-4 Pulsleistung: 37 GW Photonen/Puls: 1.8 1012
TESLA - FEL Laserparameter : Atomare Ortsauflösung Wellenlänge: 1-5 Å Strahlquerschnitt: 100 mm Strahldivergenz: 8 mrad Pulsdauer: 100 fs Bandbreite: 8 10-4 Pulsleistung: 37 GW Photonen/Puls: 1.8 1012 Zeitauflösung thermische Bewegungen Hohe Intensität
TESLA - FEL Laserparameter : Wellenlänge: 1-5 Å Strahlquerschnitt: 100 mm Strahldivergenz: 8 mrad Pulsdauer: 100 fs Bandbreite: 8 10-4 Pulsleistung: 37 GW Photonen/Puls: 1.8 1012
TESLA - FEL Laserparameter : Wellenlänge: 1-5 Å Strahlquerschnitt: 100 mm Strahldivergenz: 8 mrad Pulsdauer: 100 fs Bandbreite: 8 10-4 Pulsleistung: 37 GW Photonen/Puls: 1.8 1012
Bsp. 1: Zeitaufgelöste chemische Reaktionen
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
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
Strukturanalyse an Einzelmolekülen RUBISCO (Enzym, CO2 Aufnahme) Elektornendichte aus der PDB Simuliertes Interferenzmuster Einzelmoleküle ! Rekonstruierte Struktur (3-D)
Coulombexplosion Lysozym Simulation
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, ….
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
Kosten :
Kosten : Summe Beschleuniger 3136 Mio. Є Röntgenlaser 531 Mio. Є HEP-Experiment 160-280 Mio. Є 3887 Mio. Є
Zeitplan : Seit 1992 Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bei DESY (TTF) 23.2.2001 Technical Design Report seit Mai 2001 Begutachtung durch den Wissenschaftsrat 2003 Grundsatzentscheidung durch die Bundesregierung und die beteiligten Länder 2012 Inbetriebnahme ?
Hoffentlich bald : Danke ….