LHC and Tesla

8/2/2019 LHC and Tesla

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1Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM WS02/03 S.Bethke, J. Schieck V9: LHC und TESLA

LHC und TESLA

Motivation: Energie und Przision LHC - Beschleuniger und Detektoren

LHC Physik: Higgs Suche; Supersymmetrie TESLA - Beschleuniger und Detektor TESLA Physik

Projektstatus


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1. Was ist der Ur spr ung der Masse ? - Exist ier t dasHiggs Teilchen?

- Falls nein, wie sonst erhalt en die Teilchen Masse ?

2. Gibt es eine Univer salkr af t als gemeinsame Urkr af t ?

3. Gibt es bisher unbekannt e For men von Mat er ie ?

- I st unser e Welt supersymmet r isch ?- Best eht die dunkle Mat er ieaus dem leicht est ensuper symmet r ischen Teilchen ?

4. Gibt es verbor gene Raumdimensionen ?

f undament ale of f ene Fr agen der Teilchenphysik:

erpr obt es Konzept : hchst e Energien Pr zision

Quant enf eldt heor ie mit massiven Aust auscht eilchen versagt bei hohen Energien ! > es muss et was passier en im Ber eich E ~ 100 GeV 1 TeV

> Hadr on-Collider > Lept on Collider


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Pr ot on-Pr ot on Beschleuniger imLEP-Tunnel am CERN

p p 7 TeV 7 TeV

- Hchst e Energien pro Kollision- Hchst e Luminosit t en

Vier geplant e Exper iment e: ATLAS, CMS (pp-Physik)LHC-B (Physik der b-Quar ks)

ALI CE (Pb-Pb Kollisionen)

Gebaut in einer int ernat ionalen Kollaborat ion aus 34 Lndern

Geplant e I nbet r iebnahme: 2007

Der Lar ge Hadr on Collider (LHC)


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Pr ot on - Pr ot on Kollisionen

Lept onen mit groem I mpuls im Endzust and: int eressant e Physik !

Beispiel: Higgs Pr odukt ionund Zer f all

Wicht ige Signat ur en: Lept onen und Phot onen Fehlende t r ansver sale Ener gie

p pqq

q

p pqqq

q

H

WW

ll ll

ll ll

Keine Lept onen/ Phot onen imAnf angs- und Endzust and

Quar k-Quar k St r euung:q


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Pr ot on Pr ot on Kollisionen:

2835 x 2835 Paket e (bunches)

Abst and: 7.5 m ( 25 ns)

1011 Pr ot onen / bunchKr euzungsr at e der p-Paket e: 40 Mio. mal / sec.

Luminosit t : L = 1034

cm-2

sec-1

Prot on-Pr ot on Kollisionen: ~109 / sec(ber lagerung von 23 pp-Wechselwir kungen

whrend einer St r ahlkr euzung)

~1600 geladene Teilchen im Det ekt or

hohe Anf orderungen an die Det ekt oren

Der Large Hadron Collider (LHC)


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ehem. LEP-Tunnel mit LHC - I nf r ast r ukt ur (Modell)


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Supraleit ende Dipolmagnet e gr t e Herausf or der ung: Magnet f eld von 9 Tesla

- insgesamt 1300 St ck, j eweils 15 m lang- Bet r ieb bei einer Temperat ur von 1.9 K


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Unt er gr undunt er dr ckung:

Rekonst ukt ion von Obj ekt en mit gr oemI mpuls

Reconstructed trackswith pt > 25 GeV


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Der ATLAS Det ekt or am LHC Solenoidmagnet f eld (2T) im inner en Ber eich (I mpulsmessung)

Hochauf lsende Halbleit erdet ekt or en:- 6 Mio. Kanle (80m x 12 cm)- 100 Mio. Kanle (50m x 400 m)Or t sauf lsung: ~ 15m

Energiemessung bis 1o an die St r ahlachse

Unabhngiges Myon Spekt r omet er (supraleit endes Tor oidsyst em)


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Higgs-Suche in Hadr onkollisionen: Pr odukt ion


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Higgs-Suche in Hadr onkollisionen: Zer f lle


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Higgs-Suche in Hadr onkollisionenBeispiel: H > Signal (MH = 110 GeV) im ATLAS-Detektor am LHC (MC-Studie!)

H

t


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ATLAS


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Higgs-Suche in Hadr onkollisionenZerfallskanle und Entdeckungspotential am LHC:


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gar ant ier t e Ent deckung des St andar d-Modell Higgs im Massenbereich

von LEP (114 GeV) bis zur t heor et isch oberen Gr enze von 1000 GeV.

Massenbest immung mit einer Genauigkeit von ~ 0.1 %

Erst e Best immung von Ver hlt nissen von Kopplungskonst ant en(Genauigkeit : 10-20%)

Pr zise Ver messung der Absolut wer t e der Kopplungen TESLA

Higgs-Suche am LHC


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Higgs-Suche in Hadr onkollisionen

Nichttrivialitt bei sehr hohen Higgs-Massen: sehr groe Zerfallsbreite!


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Super symmet r ie ermglicht gegenseitige Aufhebung von divergenten Strahlungskorrekturen >lst dasHierarchieproblem

postuliertSymmetrie zwischen Fermionen und Bosonen:neue Fermion- (Boson-) Partner fr alle bekannten fundamentalen Bosonen (Fermionen)

Teilchen Spin S-Teilchen SpinQuark Q 1/2 Squark Q 0Lepton l 1/2 Slepton l 0Photon 1 Photino 1/2Gluon g 1 Gluino g 1/2W 1 Wino W 1/.2Z0 1 Zino Z0 1/2

~

~

~

~

~

~

Higgs-Struktur im Minimalen Supersymmetrischen Standardmodell (MSSM):2 komplexe Higgs-Dubletts (8 freie skalare Parameter) >5 physikalische Higgs-Felder:H , H10 , H20 , A0 . Konsistenzbedingung: M GeVH1

0 130

Gauginos ( ) mixen mit den Higgsinos und bilden somit als Eigenzustnde4 charginos ( ) und 4neutralions ( )

, , W Z

1 2,

1 2 3 40, , ,


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falls R-Parittserhaltung gilt: - Susyteilchen werden nurpaarweise(assoziiert)erzeugt- Susyteilchen zerfallen alle in lightest Susy Particle,LSP,

das selbststabil ist.- kosmologische Argumente: LSP ist ladungsneutral und

trgt keine Farbladung > nur schwache Wechselwirkung!> fhrt zur Signatur fehlender Energie (wie Neutrinos).

Supersymmetrie mit Massen von O(1 - 10 TeV) fhrt zu nderung der Energieabhngigkeitder Kopplungskonstanten, soda Vereinheitlichung bei E ~ 1016 GeV geschieht (s. rechteAbbildung S. 4) > Proton-Lebensdauer damit >> 1032 Jahre (jenseits exp. Mglichkeiten)im Rahmen vonSUSY-GUT.

Super symmet r ie

neue Erhaltungsgre: R-Paritt: R = (-1)3(B-L)+2S (B, L: Baryon-/Leptonzahl; S: Spin);R = +1 fr normale Materie, R = 1 fr supersymmetrische Teilchen

124 freie Parameter(!!) zur Beschreibung der Massen und Kopplungen der SUSY-Teilchen;davon ein Winkel , mit tan() = v1 /v2 . Einzige bekannte Bedinging:(v12 + v 22) = 246 GeV2

LSP ist Hauptkandidat fr Cold Dark Matter (CDM).


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Zukunf t :

5 discovery contours at LHC (ATLAS detector)

i i


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a ron- un ept onco i er : eineEr f olgsst or y

Tevat r on (1.8 TeV) und LEP (90-200 GeV) haben sich ideal ergnzt

Et ablierung des St andar dmodellsBeispiel: t op-Quar kLEP+SLD:Massenvorhersage durchPrzision

Tevat r on:Ent deckung

LEP+Tevat r on:Vor hersage derHiggs-Masse im SM


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2 Linearbeschleuniger mit je 15 km Lnge Kollisionsenergie von 500 GeV bis ca. 800 GeV 1 - 2 Grodetektor(en) zur Teilchenphysik Rntgenlaser Wellenlnge von 5 bis 0.05 Nanometer Experimentierkomplex fr Materialforschung,

Biologie, Medizin

Beschleunigertunnel mit 5 m Durchmesser 20.000 supraleitende Beschleunigerstrukturen Betriebstemperatur 2 K

TESLA e+e- Linear beschleunigermit int egr ier t em Rnt genlaser (f r ee elect r on laser )


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TESLA

Linearcollider Phase 1: 500 GeV Phase 2: 800++ GeV Luminosit t : 300 500 f b-1 / J ahr Polar isier t e St r ahlen Opt ionen:, e, e e , ep (THERA), eN Freier Elekt r onen Laser im Rnt genbereich


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War um supr aleit end?

t b

Luminosit t !

ef f izient e Energienut zung (kleine Verlust e in Resonat or en) Bet r ieb bei kleiner Frequenz (1.4 GHz)

St abilit t (Toler anzen) Hochf r equenzer zeugung einf acher

Wake-f elder

Alternative:War me Resonat oren (NLC,J LC) E~f ? Ver lust e Toler anzen 1000 f ach kleiner HF schwierig

Herausf or der ung f r TESLA:

Beschleunigungsgradient !LEP-Resonat or en: ~7 MV/ mTESLA(30km): 23 MV/ m f r 500 GeV

35 MV/ m f r 800 GeV


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Linear Collider Par amet er s


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Resonat or ent wicklung

Niob-Resonat or en

Bear beit ung unt erReinraum-Bedingungen

Test beschleuniger :TESLA Test Facilit y (TTF)

I nt er nat ionale TESLA-Kollabor at ion:


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Resonat or ent wicklung

Module mit indust r iell gef er t igt enResonat or en er r eichen rout inemig>23 MV/ m (TESLA 500)

Er st e neun-zellige Pr ot ot ypenmit ver besser t erOberf lchenbehandlunger r eichen 35 MV/ m (TESLA 800)


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Beschleuniger

Resonatoren

S t r a h l

Kltemodul

S A k


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TESLA Det ekt orDet ekt or opt imier tf r Pr zisionsphysik

Rekonst r ukt ion des

gesamt en Endzust ands Minimierung der

syst emat ischen Fehler !

Ent wicklung neuerTechnologien

Anf or der ungen huf ig

best immt dur chHiggs-Przisions-Physik

Moder at er Unt er gr und:Det ekt or design best immt dur ch hohe Auf lsung, nicht St r ahlenhr t e


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Planung + St andor t 2001: Technischer Design-Repor t (TDR) Vor schlag TESLA in einer int ernat ionalen Kollabor at ion

zu bauen und zu bet r eiben

St andor t vor schlag: in Hambur g+Schleswig-Holst ein(t angent ial zu HERA)

Begut acht ung dur ch Wissenschaf t sr at


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Pr zisionsphysik der Higgs-Bosonen

Ent deckung und er st e Messungen am LHC

TESLA:

Higgs-Mechanismus et ablieren als den Mechanismus derver ant wor t lich ist f r Masse der Element ar t eilchen undBr echung der elekt r o-schwachen Symmet r ie

1. I st es ein Higgs-Boson ?2. I st es ver ant wor t lich f r Masse ?

3. I st spont ane Symmet r iebrechung die Ur sache?


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Przisionsphysik der Higgs-BosonenHiggs-Quant enzahlen:

Spin aus Schwellenmessung CP Quant enzahlen aus

- Winkelver t eilungen vonZ und H

- Polar isat ionsanalysevon t au-Lept onen ausHiggs-Zer f llen


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Przisionsphysikder Higgs-BosonenHiggs-Feld ist ver ant wor t lich f r Teilchenmassen:Kopplungen mssen pr oport ional zu den Massen sein!

Ent scheidender Test :

Pr zisionsanalyse der Higgs-Zerf lle:

Konsequenz: Sensit ivit t aufneue Ef f ekt e, z.B. weit er e

schwere Higgs-Bosonen:

Messungen auf dem Pr ozent niveau


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Kein Higgs-Boson was dann?Quant enf eldt heor ie mit massiven Aust auscht eilchen versagt bei hohenEnergien:

neue st ar ke Wechselwir kung bei ~1.2 TeV

wenn nicht s passier t , muss et was passieren!

Exper iment elle Konsequenz:St ar ke Wechselwir kung in der Drei- und Vier -Boson Kopplungsst r ke

TESLA: Sensit ivit t auf Ener gie-Skala der neuen WW:Drei-Boson-Kopplung: ~ 8 TeV

Vier-Boson-Kopplung: ~ 3 TeV


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St r ukt ur der Raum-ZeitWenn es zust zliche groe Raumdimensionen gibt , ist TESLAsensit iv auf Pr ozesse der Quant en-Gr avit at ion!

Best immung derAnzahl der neuenDimensionen und der

f undament alenPlanck-Skala

Messung desGr avit on-Spins = 2

Z sammenf ass ng:


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Zusammenf assung:

LHC (hohe Energien) und TESLA (Przision) ergnzensich ideal zur Unt er suchung der Physik auf der TeV Skala

LHC: in Bau; Bet r ieb ab 2007 (f r ca. 15 J ahre)

TESLA: Techn. Design Repor t 2001; Evaluierung Wissen-schaf t sr at 2002; polit ische Ent scheidung 2003 ????

8 J ahr e Bau; 15 J ahr e Physik .


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Literatur:

ht t p:/ / t esla.desy.de (u.a.: t echnical design r epor t )

ht t p:/ / hcp2002.physik.uni-kar lsruhe.de/ Vor t r ge auf der Tagung Hadron Collider Physiks (HCP2002), Kar lsr uhe

ht t p:/ / www-zeut hen.desy.de/ ~ast ahl/ Zukunf t sber icht / Symposium.ht mlSymposium: Teilchenphysik in Deut schland, 22.11.2002, Wissenschaf t szent r umBonn

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