… und wie die Lichtstrahlen, welche aus unendlich vielen verschiedenen Richtungen herkommen, sich krezuen ohne sich gegenseitig zu hindern Christian Huygens.

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1 … und wie die Lichtstrahlen, welche aus unendlich vielen verschiedenen Richtungen herkommen, sich krezuen ohne sich gegenseitig zu hindern Christian Huygens Traité de la Lumière, Leiden 1690

2 Photon – Photon Kollisionen mit TELSA Achim Stahl – Seminar – 3.Mai 05

3 Photon-Photon Kollisionen Das TESLA Projekt : Physikalische Motivation - : Technische Realisierung

4 33 km Tunnel 2 Beschleuniger mit je 15 km 10-30 m unter der Erde Bauzeit ca. 7 Jahre 21024 Resonatoren supraleitend 1 od. 2 Teilchen- physik-Experim. 500 GeV E cm bis 800 GeV L: 3.4 x 10 34 cm -2 s -1 Rőntgenlaser 1 bis 0,1 nm 20 Messplätze TESLA bei Hamburg

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7 Hohlraumresonatoren zur Beschleunigung 9-Zeller, reines Nb Gradient: 35 MV/m 800 GeV E cm

8 Oberflächenpreparation Chemische PoliturElektropolitur

9 Luminosität 5 Bunch-Züge / Sekunde 2820 Bunche / Zug 2 10 2 Teilchen / Bunch Bunch-Grösse: x: 553 nm y: 5 nm z: 300 µm Raten: 30 W + W - / min 1 tt / min 0.5 H 0 / min 15 Z 0 / sec

10 Polarisation: einstellbar e - : max. 85 % e + : ca. 60 % ? longitudinal transversal? Flexibilität Schwerpunktsenergie: einstellbar von 90 GeV bis 800 GeV Optionen e + e - e - e - T-HERA: e - /e + p + TESLA-N: e - Nukleon ELFE: e - Nukleon

11 Photon – Photon Kollisionen Physikalische Motivation Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen SUSY: Hohe Ereignisraten e

12 Photon – Photon Kollisionen Physikalische Motivation Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen SUSY: Hohe Ereignisraten e ĕ

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

14 Kräfte: Reichweite und Masse Oberfläche ~ r 2 Dichte der Feldquanten ~ ---- Kraft ~ ---- r2r2 r2r2 1 1 bei masselosen Feldquanten Coulomb-Gesetz Gravitationsgesetz

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

16 Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter += 0

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

18 Massive Bosonen in der Teilchenphysik Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g 2 v 2

19 Massive Bosonen in der Teilchenphysik Teilchen mit effektiver Masse Uminterpretation

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

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

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

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

24 Zwei starke Partner LHC TESLA Hohe Energie Hohe Präzision Higgs-Entdeckung Higgs-Studium

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26 Teilchenmassen NeutrinoElektrond-Quarku-Quark NeutrinoMüons-Quarkc-Quark NeutrinoTaub-Quarkt-Quark ~ meV 511 keV 105 MeV 1.8 GeV ~ 3 MeV~ 5 MeV 120 MeV1.2 GeV 175 GeV 4.2 GeV Materie (Fermionen) H0H0 f f g ~ m f

27 Higgs-Mechanismus Teilchen erhalten eine scheinbare Masse durch Wechselwirkung mit einem Hintergrund(Higgs-)feld Kopplung: Higgs + Teilchen grosse Koppl. grosse Masse

28 Higgs H0H0 g = 0

29 - Wechselwirkung 2-Photon-Streuung f f f f

30 Exp. Nachweiss Hughes & Jauncey 1930 WQ < 3 10 -20 cm 2 QED 10 -60 cm 2

31 Exp. Nachweiss f f f f e-e- e+e+ - WW in 2-Photon-Scattering e-e- e+e+ … in agreement with QED …

32 - Wechselwirkung 2-Photon-Streuung f f f f 4 Vertices kleiner WQ 2-Photon-Streuung f f f hoher WQ aber E cm > 2 m f

33 2-Photon-Streuung WQ: f(x) 2 m2m2 Raten e+e-e+e- W+W-W+W- 60 / min30 / min tt0.7 / min1 / min e+e-e+e- mehrere / BX

34 Higgs H0H0 g = 0 H0H0 okay t t t H0H0 okay W W W

35 Higgs (H 0 ) = 10 -13 m H 3 | Σ i ξ i N i e i 2 f i | 2 (in GeV) ξ i : Higgs Mischung N i : Colour-Faktor e i : el. Ladung Partielle Zerfallsbreite f i = -1/3 S -4/3 F + 7 V (für grosse Massen) Genauigkeit: 2%

36 Higgs bb H0H0 b b b,c Signal Untergrund H0H0 J = 2J = 0 J = 2 Photon Polarisation E cm = m H

37 Simulation: Genauigkeit: 2% möglich 1 Jahr Laufzeit: Sig: 3370 ev. Bgd: 2900 ev.

38 Vergleich: H0H0 b b + 2 H0H0 b b H0H0 + 2 H0H0

39 Fazit: H 0 ist messbar grosse Sensitivität auf schwere Teilchen 3 Wege zu höheren Energien: Hohe Strahlenergien Hohe Präzision Verbotene/Unterdrückte Prozesse

40 Zusammenfassung: Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen SUSY: Hohe Ereignisraten e sehr interessant ähnlich e + e - to be done

41 Technische Realisierung: e-e- e-e- Laser -Kollision

42 Compton-Kinematik: Laser e-e- e-e- Laser: 1μm e-beam: 50…400 GeV 0.1 1 10 λ in μm 0 500 E in GeV 0 200 400 E in GeV E cm in MeV 0 1 2 3 0 10 20 θ in μrad

43 Photon-Spektrum: -1: 0: +1: Polarisation e-e-

44 Compton-Rate: Rate = / BX N e N A Compton = 2.5 10 -25 cm 2 A λ 2 N e = 2 10 10 = 5 10 -7 N ca. 1 Joule Pulse à 1 psec Pulszug 1 ms 2820 Pulse Pulszug 1 ms 2820 Pulse 5 Hz Leistung: 1 TW / BX 2 MW / Pulszug 1 kW / total

45 Konversionsrate:

46 Photon-Spektrum:

47 Compton-IP:

48 Laser Out Laser In Electrons Out Electrons In IP Electrons Out Electrons In Laser Querschnitt bei 3.80 m Laser OutLaser In Strahlführung:

49 Übersicht: 33 km Linac e+e-e+e- WesterhornEllerhoop DESY

50 Laser: ext. Ring-Resonator Ingo Will, MBI Berlin

51 Laserfokus: Spiegel Ø: 80 cm Brennweite: 8 m Fokus Ø: 17 μm 0 = 67 mrad

52 Detektor:

53 Untergrund: Rückstreuung des verbrauchten Strahls Beam-Strahlung 2-Photon-Wechselwirkung (1,4 ev. / BX)

54 Energieverteilung @ 3.80 m Einheit: GeV/mm 2 14 mrad Der verbrauchte Strahl:

55 Die Maske:

56 Untergrund in TPC: ECal IP Eintrittspunkt in die TPC TPC Untergrund TPC: : 7500 / BX e + e - : 1300 / BX tolerabel

57 Untergrund in TPC: e+e-e+e- VTX-Detektor (5 Lagen Si) identische Geometrie ähnlicher Untergrund okay

58 b-tagging: Zum Beispiel : H 0 bb Identifikation

59 Zusammenfassung: Physik: Higgs-Physik sehr interessant Aber sonst ? Detektor: Laser: mech. Toleranzen Vorwärtsbereich Maske Zentralbereich wie e + e - Beschleuniger: schwierig, vermutlich okay