Das TESLA Projekt

Das TESLA ProjektMarkus Schumacher, Universität

Bonn

Herbstschule Maria Laach 2003

Beschleuniger

Physik

Detektor

Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 2

Ein neuer e+e- Beschleuniger : warum ?

Der TESLA Beschleuniger: Technologiewahl und grundlegendes Design

Der Detektor : Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen

Das Physikpotenzial: Higgs, SUSY, zusätzliche Raumdimensionen,

…

Inhalt der Vorlesungen


1. Ein neuer e+e-Beschleuniger:

warum ?


Status der Teilchenphysik heute

Das Standardmodell ist auf Quantenniveau getestet und beschreibt (fast) alle Beobachtungen exzellent.

Dies ist das Ergebnis von 30 Jahren Physik an Hadron- und Leptonbeschleuigern !

Präzisionsmessungen von LEP und SLC dominiert !

•ZHH

„Particle Physics today is in an excellent yet curious state“ (TESLA TDR)


Einige der grundlegenden Fragen

Manche Antworten auf diese Fragen mit neuen Beschleunigern:

Ursprung der elektroschwachen Symmetriebrechung und der Erzeugung der Teilchenmassen

Das Hierarchieproblem (v=246 GeV << MPlanck =1019GeV )

Dunkle Energie, dunkle Materie

Materie-Antimaterie-Asymmetrie, CP-Verletzung

Neutrinomassen und Neutrinomischung

Ursprung und Bedeutung der „Flavor“

Vereinigung der Kräfte/Wechselwirkungen

Struktur der Raum Zeit / Gravitation

1. Hohe Energien und 2. Präzise Messungen


e+e- Beschleuniger und pp Beschleuniger

Lepton und Hadron Beschleuniger sind komplementär!

Kollision punktförmiger Teilchen Kollision zusammengesetzter Teilchen mit bekannter Energie mit unbekannter Energie

E(CM) = 2 E(Strahl) E(CM) < 2 E(Strahl)sehr hohe Energien schwierig sehr hohe Energien leichter erreichbar “einfache” Endzustände überlagerte Ereignisse, Zuschauerjets: hoher Untergrund

wohldefinierte Quantenzahlen Quantenzahlen des harten Prozesses des Anfangszustandes sind nicht gut bekannt

rein hadronische Endzustände rein hadronische Endzustände selektier- u. rekonstruierbar schwierig zu “triggern” u. selektieren

geeignet für Entdeckungen und am Besten geeignet für Entdeckungen Hochpräzisionsmessungen (energy frontier) und einige, erste

Präzisionsmessungen


Hadron- und Leptonbeschleuniger

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!


Livingston Plot: “Moving off the Line!”

TESLANur Hadron- und Leptonbeschleuniger gemeinsam können uns ein komplettes und präzises Bild von der mikroskopischen Welt liefern !


Welche Schwerpunktsenergie ?

Physik:• Hinweis auf ein leichtes Higgs Boson < 200 GeV• SUSY: Sparticles < 1TeV, oft < 200 GeV• Kein Higgs: neue starke WW <1.3 TeV• Schwelle für Top-Quark-Paarproduktion bei 350 GeV

Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung:

Technologie:• zu großer Schritt ist riskant

500 GeVs is “vernünftiger” erster Schritt

Möglichkeit zur Energieerhöhung bis ~1 TeV nötigMulti-TeV Beschleuniger: Maschine der 2ten Generation

246 GeVv=


Welche Luminosität: N = L ?

Physik:• so viel wie möglich, ~ 1/ Ecm L ~ Ecm

• Präzisionsmessung mit Fehler O(1%) >10000 Ereignisse• Beispiel: SM-Higgs Produktion ~20fb brauchen 500 fb-1

<5 Jahre = <500 Tage

Pro Tag >1 fb-1 oder

L >1 x 1034 cm-2s-1

und manchmal ist auch

deutlich mehr erwünscht

22


2. Tera Electron Volt Energy

Superconducting Linear

Accelerator Technologiewahl

und Design


Warum linear ?

B 2222

2BEC

ceP

4

/EC

revE

Energieverlust pro Umlauf (mittlerer Ablenkradius )

Energieverlust muss durch RF-System ersetzt werden !


Kostenskalierung beim Ringbeschleuniger

• Lineare Kosten: (Tunnel, Magnete, etc.)$lin

• RF Kosten:$RF E E4/

• Optimum, wenn$lin = $RF

optimierte Kosten ($lin+$RF) Skalieren mit E2 (bzw.


Kostenskalierung von LEP ….

LEP-II Super-LEP Hyper-LEP

Ecm GeV 180 500 2000

L km 27 200 3200

E GeV 1.5 12 240

$tot 109 SF 2 15 240

Ringbeschleuniger für ECM>LEP nicht mehr rentabel !

Kosten zu hoch ! Länge technisch schwierig !?


Ausweg: Linearbeschleuniger

e+ e-

10 km

Für Ecm = 500 GeV Beschleuniger:

Gradient G = 250 GV / 10 km= 25 MV/m (TESLA mit L=28.8km: 550 GeV G=23.4 MV/m

800 GeV G =35MV/m)

Note: for LC, $tot E

Keine Ablenkungkeine Synchrotronstrahlung aber viel RF!

Zweite Kenngrösse: L 1034 cm-2 s-1


Kurze Geschichte der Linearbeschleuniger

A Possible Apparatus for Electron-Clashing Experiments (*).

M. Tigner

Laboratory of Nuclear Studies. Cornell University - Ithaca, N.Y.

“While the storage ring concept for providing clashing-beam experiments (1) is very elegant in concept it seems worth-while at the present juncture to investigate other methods which, while less elegant and superficially more complex may prove more tractable.”

15 Jahre F&E-Arbeit für einen Linearbeschleuniger SLC (SLAC, 1988-98) (“proof of principle”)

NLCTA (SLAC, 1991-), TTF (DESY, 1994-), ATF (KEK, 1991-), FFTB (SLAC, 1992-1995),SBTF (DESY, 1994-1998), CLIC CTF1,2,3 (CERN, 1994-)

1965

schon damals: supraleitend vorgeschlagen

Einwand: Kosten, kleiner Gradient


Luminosität

Dyx

repb HfNn

L **

2

4 D

yx

repb HfNn

L **

2

4

Strahl-Strahl-Wechselwirkung Erhöhung um 1.52 durch “pinch effect”

Teilchen im Paket

Anzahl der Pakete im “bunch train”

Wiederholrate der “bunch trains”

Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt (IP)


e+e- Beschleuniger: Parametervergleich

Stanford linear collider

Final Focus Test Beam (SLAC)

LEP: xy 1306 m2

337 3.4

8.3x106 0.0003

22000 0.006

Strahlquerschnitt t(Bunch)[ns] L[1034cm-2s-1]


Dyx

brepcmcm

HN

NnfEE

L

**

1

4

1

D

yxbrepcm

cm

HN

NnfEE

L

**

1

4

1

PStrahl

Luminosität

Dyxcm

RF HN

E

PL

**

1

4

1D

yxcm

RF HN

E

PL

**

1

4

1

Effizienz

Beamstrahlung (Energieverlust E/E)


e

e

Abstrahlung harter Photonen im starken el. Feld= Beamstrahlung

2

* *cm

BSz x y

EE N

E

2

* *cm

BSz x y

EE N

E

Energieverschmierung+ Untergrund in Detektor Grenze: BS ~ einige %

Beamstrahlung

Idee: flache Strahlen (y<<x ) minimiere Beamstrahlung dennoch kleines yx hohe Luminosität


Luminosität

1

2

32 *

1RFBS z D

ycm

PL H

E

12

32 *

1RFBS z D

ycm

PL H

E

IP Fokusierung & Strahlemittanz yyy **

*

* yyy

** yyy

cm

yyy E

**

cm

yyy E

**

Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : RF

Hohe RF-Leistung (Klystron) Kleiner vertikaler Strahlquerschnitt: ,y

Grosse Paketlänge z (vorläufig)


2 1 0 1 2Z

3

2

1

0

1

2

3

Y

2 1 0 1 2Z

3

2

1

0

1

2

3

Y

Grenze für Fokussierungtiefe *

-2000 -1000 0 1000 2000 3000

-40

-20

0

20

40

IP (s = 0)

y

s

)0(,)( **

2*

s

ss )0(,)( *

*

2*

s

ss

z

* = “Tiefe des Fokus”

Vernünftige untere Grenze für * ist die Paketlänge z,, sonst Luminositätsverlust

Setze * = z


21

y

BS

cm

RF

E

PL

21

y

BS

cm

RF

E

PL

Luminosität: Finale Gleichung

Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : RF

Hohe RF-Leistung (Klystrons) Kleine vertikale Strahlemittanz: n,y

Starke Fokusierung am IP (kleines y kleines z)

Für gegebene Schwerpunktsenergie, Beamstrahlung BS und Primärleistung


Technologieoptionen für die Beschleunigung

Normalleitende Kavitäten

(NLC/JLC)

RF-Frequenz f = 11.4 GHz

Maximal erreichbarer Feldgradient ~ f

Supraleitende Kavitäten (TESLA)

RF-Frequenz f = 1.3 GHz

Fundamentales Limit für heutige Niob-Kavitäten G < 55

MeV/m


Effizienz des Transfers: Primärleistung Strahl

Kenngrößen für Kavitäten:

Spezifische Shuntimpedanz Rs

Rs =

Güte Q:

RF = 17% (supraleitend, TESLA, inkl. Kühlleistung)

= 6 bis 8 % (normalleitend, NLC)

gespeicherte Energie Energieverlust pro Zyklus

~f-1/2 (normalleitend) ~f-2 (supraleitend)Q =

~f1/2 (normalleitend) ~f-1 (supraleitend)

(maximales Feld)2 Energieverlust pro Länge

Q = 1010 Niob Q = 104 Kupfer


tb

“Wake”-Felder , Schleppwellenfelder

TESLA C-band X-band106

105

104

103

CLIC

Longitudinale Wl~ f2

Energieverschmierung

Transversale Wt~ f3

Emittanzvergrößerung

Wt/Gradient


“Wake”-Felder, Ausrichtungstoleranzen

Verschobene Kavität y

“Banana”

Toleranzen: y ~ 1/ (Wt Nez) (G/)1/2

Kompensation für normalleitende Kavitäten durch

stärkere Fokussierung , höheren Gradienten G, kleinere Paketladung Ne

Emittanzanstieg: =y2 (Wt Nez)2/G

~ Frequenz6

Dennoch: Genauigkeitsanforderungen NLC = 100xTESLA


Vorteile der supraleitenden Technologie

Geringe RF Verluste in Resonantorwänden (Q 1010 gegenüber Cu 104)

Hohe Effizienz Primärleistung Strahl

Lange Strahlpulse (viele Pakete) geringe RF Spitzenleistung

Großer Paketabstand erlaubt schnelle Rückkopplungskorrektur innerhalb des “bunch train”

Beschleunigung mit niedriger RF-Frequenz: (1.3 GHz, for Cu 6-30 GHz)

Sehr kleine “Wake”-Felder

“Lockere” Ausrichtungstoleranzen (Faktor 100 zu NLC)

Hohe Strahlstabilität


Der Gradient grundlegende Grenze bei 55MV/m für größere Felder wird B> kritisches B-Feld für Supraleitung supraleitende Kavitäten vor TESLA: LEP2 cavities ~ 7MV/m

Die Herausforderung:1. Vergrößerung des Gradienten (um Faktor 4 bis 5)2. Reduzierung der Kosten (um Faktor 4)

Supraleitende 9-zellige Niobkavität

~1m


Die TESLA KollaborationDie TESLA Kollaboration

Zur Zeit: 12 Nationen, 49 Institute

1. Workshop 1990 Cornell Gründung: 1992 am DESY

Ziel: „proof of principle“ für Supraleitenden Linearbeschleuniger


Die Kavitäten werden in Ultrareinräumen vorbereitet und zusammengebaut

Der Gradient

In der Praxis: Limitierung durch Unebenheit der Oberfläche und Verunreinigung des Niob

Lokale Feld- und Temperaturspitzen

Zusammenbruch der Supraleitung (T>Tkrit, B>Bkrit)


Der Gradient

Gradienten über 35 MV/m (Anforderung für 800 GeV) erreichtnach verbesserter Oberflächenbehandlung (“electro-polishing”):

etching - “buffered chemical polish“ electro-polishing

200 m 200 m

BCP EP


Erreichte Gradienten durch TESLA F&E

TESLA 500 – 800 design

TESLA 500: 23.4 MV/m industriell herstellbar

TESLA 800: 35 MV/m in mehreren 9-Zellern erreicht

>40 MV/m in 4 Einzellen-Kavitäten


TESLA Linac und TESLA Test Facilty TTF~16m

12 9-zellige Niob Kavitäten = 1 Kryostatmodul (1.8 Kelvin)

TESLA: ein Linac ~ 10 000 Kavitäten, Länge 14.4km

Stabiler TTF-Betrieb bei DESY für > 15000h (1997 - 2003)

Test von allen System-komponenten für den Linac

TTF


Linearbeschleuiger = Linac + viel mehr!

main linacbunchcompressor

dampingring

source

pre-accelerator

collimation

final focus

IP

extraction& dump

KeV

few GeV

few GeVfew GeV

250-500 GeV

Erzeugung von Elektronen- und Positronenpaketen mit kleiner Emittanz und kleiner Strahlquerschnitt am IP

Supraleitender Linac: effiziente Beschleunigung mit geringem Emittanzanstieg


Überlick über TESLA

Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV

Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s 950 µs 199 ms 950 µs

2820 bunches

Weitere Optionen

, e, e-e-,

ep (THERA), eN

Zeit zw. Kollisionen: 337 ns


120 kV

electrons

laser photons

G aAscathode

= 840 nm

20 m m

Elektronen-Quelle

kleine transversale Emittanz große Ladung pro Paket, kleine Bunch-Längen Polarisierte Elektronen (Ziel 80% am IP)

Laser auf GaAs-Kathode

Test facility at DESY/Zeuthen: PITZ


Positronen-Quelle

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S ~30MeV photons

0.4X target

undulator (~100m)

250GeV e to IP

frome- linac

e+e- pairs

Verwendung eines Helix-Undulators liefert die Möglichkeit von polarisierten Positronen (Ziel:60%)!


Dämpfungsringe

Emittanzen aus Elektronen- und Positronenquelle zu groß ! Ziel y = 3108 m = Reduzierung um Faktor 10000

Lange Pulse: 950msc=285km! Komprimiere Bunch Train auf 18km

p

p

dipole RF cavity

“dog-bone” Design: 90% des Umfangs” im Linac-Tunnel

Energieverlust durch Abstrahlung + Nachbeschleunigung


“Beam Delivery System”

y = 5 nmy = 5 nmFokussierung: 1/600Fokussierung: 1/600

Kollimationssystem

Final Focus System

y = 3 my = 3 m


Stabilisierung der Luminosität

Versatz bewirkt “Beam-Beam-Kick”

Messung durch BeamPositionMonitor

Kicker-Magnete korrigieren Orbit

Schnelle Korrektur innerhalb eines

Trains möglich (t(Bunch) = 337 ns)

Genauigkeit der Strahlführung: Versatz am IP < 0.1 y=0.5nm Winkel < 1.2 rad

Störung durch z.B. Erdvibrationen Strahlgesteuerte Rückkopplung

Prinzip bei TTF getestet


Ein Standort

Ellerhoop (16.5 km)

Westerhorn (32.8 km)

DESY

HERA


Zusammenfassung Beschleuniger

Der Linearbeschleuniger ist der nächste große und notwendige Schritt

in der beschleunigerbasierten HEP (weltweiter Konsensus)

Herausforderung Energie: stabiler, hoher Gradient

Herausforderung Luminosität: hohe Leistungstransfereffizienz,

kleiner Strahlquerschnitt am IP

Supraleitende Kavitäten besitzen verschiedene Vorteile

Enormer Fortschritt in der Kavitätenherstellung

TESLA500 ist heute technisch realisierbar TESLA800 sieht

sehr vielversprechend aus

der Linearbeschleuniger ist mehr als nur ein Linac

viele komplexe Subsysteme, die hervorragend arbeiten müssen

Spannende F&E, auch Experimentalisten von HEP können beitragen!

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