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

Christian HuygensTraité de la Lumière, Leiden 1690

Photon – Photon Kollisionen

mitTELSA

Achim Stahl – Seminar – 3.Mai ’05

Photon-Photon Kollisionen

Das TESLA Projekt

: Physikalische Motivation

-: Technische Realisierung

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 Ecm

bis 800 GeV

L: 3.4 x 1034 cm-2s-1

Rőntgenlaser

1 bis 0,1 nm

20 Messplätze

TESLA bei Hamburg

Luminosität5 Bunch-Züge / Sekunde

2820 Bunche / Zug

2 102 Teilchen / Bunch

Bunch-Grösse:• x: 553 nm• y: 5 nm• z: 300 µm

Raten:• 30 W+W- / min• 1 tt / min• 0.5 H0 / min• 15 Z0 / sec

Polarisation:einstellbar

e-: max. 85 %e+: ca. 60 % ?

longitudinaltransversal?

FlexibilitätSchwerpunktsenergie:

einstellbarvon

90 GeV bis

800 GeV

Optionene+ e-

e- e-

e-

T-HERA: e-/e+ p+

TESLA-N: e- Nukleon ELFE: e- Nukleon

Photon – Photon KollisionenPhysikalische Motivation

Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften

Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen

SUSY: Hohe Ereignisraten e ẽ

Photon – Photon KollisionenPhysikalische Motivation

Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften

Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen

SUSY: Hohe Ereignisraten e ĕ

Higgs-Mechanismus

•Alle Teilchen sind masselos

•Alle Teilchen erscheinen massebehaftet, durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld

Kräfte: Reichweite und Masse

Oberfläche ~ r2

Dichte der Feldquanten ~ ----

Kraft ~ ----

r2

r2

1

1

bei masselosen Feldquanten

Coulomb-GesetzGravitationsgesetz

Massive Photonen in der Supraleitung

Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter

=

Massive Photonen in der Supraleitung

Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter

+ = 0

Massive Photonen in der Supraleitung

Meißner – OchsenfeldEffekt : 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 miteffektiver Masse

Uminterpretation

Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung

Das Higgs-Boson erscheint selbst

Das Hintergrundfeld

Oszillator - Potential

keine Feldquanten im Vakuumkeine Wechselwirkung der Quanten

Das Hintergrundfeld

Oszillator - Potential

keine Feldquanten im Vakuumkeine Wechselwirkung der Quanten

Higgs – Potential

SelbstwechselwirkungFeldquanten 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 PartnerLHC TESLA

Hohe Energie Hohe Präzision

Higgs-Entdeckung Higgs-Studium

Teilchenmassen

Neutrino Elektron d-Quark u-Quark

Neutrino Müon s-Quark c-Quark

Neutrino Tau b-Quark t-Quark

~ meV

~ meV

~ meV

511 keV

105 MeV

1.8 GeV

~ 3 MeV ~ 5 MeV

120 MeV 1.2 GeV

175 GeV

4.2 GeV

Materie (Fermionen)

H0 f

fg ~ mf

Higgs-Mechanismus

•Teilchen erhalten eine scheinbare Masse durch Wechselwirkung mit einem Hintergrund(Higgs-)feld

•Kopplung: Higgs + Teilchen grosse Koppl. ↔ grosse Masse

→ Higgs

H0

g = 0

- Wechselwirkung

2-Photon-Streuung

f

f

f

f

Exp. NachweissHughes & Jauncey

1930WQ < 3 10-20 cm2

QED ≈ 10-60 cm2

Exp. Nachweiss

f

f

f

f

e-

e+

- WW in

“2-Photon-Scattering”

e-

e+… in agreement with QED …

- Wechselwirkung

2-Photon-Streuung

f

f

f

f

4 Vertices kleiner WQ

2-Photon-Streuung

f

f

f

hoher WQaber Ecm > 2 mf

2-Photon-StreuungWQ: f(x)

2

m2

Raten e+e-

W+W- 60 / min 30 / min

tt 0.7 / min 1 / min

e+e- mehrere / BX

→ Higgs

H0

g = 0

H0

okay

t

tt H0

okay

W

WW

→ Higgs

(H0 → ) = 10-13 mH3 |Σi ξi Ni ei

2 fi|2

(in GeV)ξi: Higgs MischungNi: Colour-Faktorei: el. Ladung

Partielle Zerfallsbreite

fi =-1/3 S-4/3 F+ 7 V

(für grosse Massen)Genauigkeit: 2%

→ Higgs → bb

H0 b

b

b,c

b,c

Signal

Untergrund

H0

J = 2

J = 0 J = 0

J = 2Photon

Polarisation

Ecm = mH

Simulation:

Genauigkeit:2% möglich

1 Jahr Laufzeit: Sig: 3370 ev. Bgd: 2900 ev.

Vergleich:

H0b

b+

2

H0b

b

H0

+

2

H0

Fazit: → H0 ist messbar grosse Sensitivität auf schwere Teilchen

3 Wege zu höheren Energien:Hohe StrahlenergienHohe PräzisionVerbotene/Unterdrückte Prozesse

Zusammenfassung:

Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften

Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen

SUSY: Hohe Ereignisraten e ẽ

sehr interessant

ähnlich e+e-

to be done

Technische Realisierung:

e- e-

Laser

Laser

-Kollision

Compton-Kinematik:Laser

e-

e-

Laser: 1μm

e-beam: 50…400 GeV

0.1 1 10 0.1 1 10λ in μm λ in μm

0 500E in GeV

0

20

0

400

E

in G

eV

Ecm

in

MeV

0

1

2

3

0

1

0

20

θ in

μra

d

Photon-Spektrum:

-1: 0:

+1:

Polarisation

e-

Compton-Rate:

Rate = / BX Ne N

ACompton = 2.5 10-25 cm2

A ≥ λ2

Ne = 2 1010= 5 10-7 N

→ ca. 1 Joule Pulse à 1 psec

Pulszug 1 ms 2820 Pulse

Pulszug 1 ms 2820 Pulse 5 Hz5 Hz

Leistung: 1 TW / BX 2 MW / Pulszug 1 kW / total

Konversionsrate:

Photon-Spektrum:

Compton-IP:

Laser Out

Laser In

Electrons Out

Electrons In

IP

Electrons Out

Electrons In

Laser

Querschnitt bei 3.80 m

Laser Out Laser In

Strahlführung:

Übersicht:

33 km

Linac Linac

e+e-

Westerhorn Ellerhoop DESY

Laser: ext. Ring-Resonator

Ingo Will, MBI Berlin

Laserfokus:

Spiegel Ø: 80 cm

Brennweite: 8 m

Fokus Ø: 17 μm

0 = 67 mrad

Detektor:

Untergrund:

Rückstreuung des ‘verbrauchten‘ Strahls

Beam-Strahlung

2-Photon-Wechselwirkung (1,4 ev. / BX)

Energieverteilung @ 3.80 m

Einheit: GeV/mm2

14 mrad

Der verbrauchte Strahl:

Die Maske:

Untergrund in TPC:

ECal

EC

al

IP Eintrittspunkt in die TPC

TPC

Untergrund TPC:: 7500 / BXe+e-: 1300 / BX

tolerabel

Untergrund in TPC:e+e-

VTX-Detektor (5 Lagen Si) identische Geometrie ähnlicher Untergrund

okay

b-tagging:

Zum Beispiel:

→ H0 → bb

Identifikation

Zusammenfassung:Physik: Higgs-Physik sehr interessant Aber sonst ?

Detektor: Laser: mech. Toleranzen Vorwärtsbereich Maske Zentralbereich wie e+e-

Beschleuniger: schwierig, vermutlich okay