1Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002 Der Elektron-Positron Linearcollider TESLA Klaus Desch Uni Hamburg 22. November 2002

1Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

Der Elektron-Positron LinearcolliderTESLA

Klaus DeschUni Hamburg22. November 2002

Symposium: Teilchenphysik in Deutschland


Überblick

Symposium: Teilchenphysik in Deutschland

• Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory

• Ziele und Anforderungen

• Das TESLA-Projekt: Beschleuniger + Detektor

• Das Physikpotenzial

• Zusammenfassung und Schlussfolgerung


Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory

Zwei Strategien zur Erforschung der Struktur der Materie:

1. Erhöhung der Energie2. Präzise Messungen

Lepton -Collider sind ideal für genaueste Messungen:+(e e )

• punktförmige Teilchen

• nur elektro-schwache Wechselwirkung im Anfangszustand

• vollständige Rekonstruktion der Ereignisse


Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory

Tevatron (1.8 TeV) und LEP (90-200 GeV) haben sich ideal ergänzt

Etablierung des Standardmodells

Beispiel: top-Quark

LEP+SLD: Massenvorhersage durch Präzision

Tevatron:Entdeckung

LEP+Tevatron:Vorhersage der Higgs-Masse im SM

Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wirjetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen!


Der nächste Schritt

LHC (pp, 14 TeV) Ziele: 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 Vereinigung der Kräfte Gravitation

+(e e )


Anforderungen an einen Linearcollider

• Energie: mindestens

ausbaubar bis

• Luminosität: Reaktionsraten typisch

benötigt tausendfache LEP-Luminosität!

• Variable Schwerpunktsenergie

top2m 400GeV

1TeV 2

CM1 / E


Realisierung: TESLA

• Linearcollider• Phase 1: 500 GeV • Phase 2: 800++ GeV• Luminosität: 300 – 500 / Jahr• Polarisierte Strahlen• Optionen: , e, ,ep (THERA), eN• Freier Elektronen Laser im Röntgenbereich

+e e

-e e

-1fb


Warum linear?

B4Strahl

2

EcP C

2 r

“LEP 500” würde benötigen:

Umfang 200 km

12 GeV Energieverlust pro Umlauf

Kosten Kreisbeschleuniger

Kosten Linearbeschleuinger

2CME

CME

Länge von TESLA (500-800 GeV) ~ Länge von LEP (200 GeV)!


Warum supraleitend?

Dtb

Luminosität!

• effiziente Energienutzung (kleine Verluste in Resonatoren)• Betrieb bei kleiner Frequenz (1.4 GHz) Stabilität (Toleranzen) 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/mTESLA(30km): 23 MV/m für 500 GeV 35 MV/m für 800 GeV


Resonatorentwicklung

Niob-Resonatoren

Bearbeitung unter Reinraum-Bedingungen

Testbeschleuniger:TESLA Test Facility (TTF)

Internationale TESLA-Kollaboration:


Resonatorentwicklung

Module mit industriell gefertigtenResonatoren erreichen routinemäßig>23 MV/m (TESLA 500)

Erste neun-zellige Prototypenmit verbesserter Oberflächenbehandlungerreichen 35 MV/m (TESLA 800)


Beschleuniger

Resonatoren

Strahl

Kältemodul


Detektor

Detektor optimiertfür Präzisionsphysik

Rekonstruktion desgesamten Endzustands

Minimierung dersystematischen Fehler!

Entwicklung neuerTechnologien

Anforderungen häufigbestimmt durchHiggs-Präzisions-Physik

Moderater Untergrund: Detektordesign bestimmt durch hohe Auflösung, nicht Strahlenhärte


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


Physikpotenzial (Highlights)

• Higgs-Bosonen

• Supersymmetrie

• Struktur der Raumzeit


Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen

Entdeckung und erste Messungen am LHC

TESLA:

Higgs-Mechanismus etablieren als den Mechanismus derverantwortlich ist für Masse der Elementarteilchen undBrechung der elektro-schwachen Symmetrie

1. Ist es ein Higgs-Boson ?

2. Ist es verantwortlich für Masse ?

3. Ist spontane Symmetriebrechung die Ursache?



“sehen ohne hinzusehen”:Zerfallsunabhängiger Nachweis

• Rückstoß-Masse in Ereignissen (Energieerhaltung!)

D ~ 3%ModellunabhängigeMessung

Dm ~ 50 MeV

Massenpräzision im Subpromille-Bereich:

Z

100000 Higgs-Bosonen/1-2 JahrenFast untergrundfrei!



Higgs-Quantenzahlen:

Spin aus Schwellenmessung CP Quantenzahlen aus

- Winkelverteilungen von Z und H

- Polarisationsanalyse von tau-Leptonen aus Higgs-Zerfällen


Präzisionsphysik der Higgs-BosonenHiggs-Feld ist verantwortlich für Teilchenmassen Kopplungen müssen proportional zu den Massen sein!

Entscheidender Test: Präzisionsanalyse der Higgs-Zerfälle:

Konsequenz: Sensitivität auf neue Effekte, z.B. weitereschwere Higgs-Bosonen:

Messungen auf dem Prozentniveau



Wird das Higgs-Feld im Vakuum durch spontane Symmetriebrechung erzeugt??

Entscheidender Test:Selbstwechselwirkung des Higgsfeldes?

Benötigt höchste LuminositätStellt höchste Detektoranforderungen

20%D


Kein Higgs-Boson – was dann?

Quantenfeldtheorie mit massiven Austauschteilchen versagt bei hohenEnergien:

neue starke Wechselwirkung bei ~1.2 TeV

“wenn nichts passiert, muss etwas passieren!”

Experimentelle Konsequenz: Starke Wechselwirkung in der Drei- und Vier-Boson Kopplungsstärke

TESLA: Sensitivität auf Energie-Skala der neuen WW:Drei-Boson-Kopplung: ~ 8 TeVVier-Boson-Kopplung: ~ 3 TeV


Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmetrie

Typisches SUSY-Teilchen-Spektrum:

gut messbar bei LHC

präzise Spektroskopiebei TESLA!

Hig

gs-

Boso

nen

S-L

epto

nen

S-Q

uark

s

Neutr

alin

os+

Charg

inos


Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmetrie

Beispiel: SUSY-Partner des Myons:

Fast untergrundfrei, große Raten:

Beste Massenbestimmung der SUSY-Teilchen an der Produktions-Schwelle (Promille)


Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmterie

Konsequenz der Präzision:

Extrapolation der gemessenenMassenparameter (TESLA+LHC)Über viele Größenordungen in derEnergieskala

Überprüfung von Hypothesen für Physik in der Nähe der Planck-Skala!

Vereinheitlichung der Kräfte?

Bestimmung effektiver String-Parameter


Struktur der Raum-Zeit

Wenn es zusätzliche große Raumdimensionen gibt, ist TESLAsensitiv auf Prozesse der Quanten-Gravitation!

• Bestimmung der Anzahl der neuen Dimensionen und der fundamentalen Planck-Skala

• Messung des Graviton-Spins = 2


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!


SM-Prozesse mit höchster Präzision

Top-Quark als schwerstes Quark spielt vermutlich Schlüsselrolleim Verständnis der Rolle der drei Fermion-Familien

TESLA:• Genaue Massen-Bestimmung (100 MeV)• Untersuchung seiner Eigenschaften

• 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

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