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Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen
Achim StahlDESY Zeuthen
Aachen – 24. Nov. 2003
Das TESLA Projekt Űberblick Stand der Technik
Physik mit TESLA Beispiele
Polarisation bei TESLA Ziele Realisierung
Status
Inhalt
TESLA Beschleunigeranlage
33 km Tunnel5.2 m Ø
Experimentiergeländebei Ellerhoop
Ringbeschleuniger
Energieverlust:4 π α E4
ΔE = 3 m4 R
LEP: Emax 209 GeV U 22,7 km R 3,7 km
LEP ΔE = 2.7 GeV
100 MW oder 15000 SFr/h
Linearbeschleuniger
Schwerpunktsenergie: 50 bis 800 GeV
100 MW Ringbeschleuniger 500 GeV: R = 120 km 800 GeV: R = 800 km
Aber:
recycled beam
Trefferwahrscheinlichkeit LEP-I: 1 10-19 pro Kollision TESLA: 5 10-13 pro Kollision
Strahlquerschnitt: 550 nm x 5 nm
Teilchenbeschleunigung
Elektrostatischer Beschleuniger
Bis einige MeV
Teilchenbeschleunigung
Mikrowellen-Beschleuniger
23.4 MeV / Meter 500 GeV35. MeV / Meter 800 GeV
} 11 km
Teilchenbeschleunigung
Mögliche Verbesserungen :
Höhere Feldstärken
Längere Beschleunigungsstrecke
Grenze: Feldstärken an den OberflächenZusammenbruch der SupraleitungFeldemission von Elektronen
Grenze: Kosten
R&D Programm: Supraleitende Resonatoren
Gestartet1992von B. Wiik
Ziel:Beschl.Gradient x 5Kosten x 1/5
Beschleunigungsmodule: supraleitend
Chemische Politur Elektropolitur
Extreme Anforderungen
ReinheitRauhigkeit
der Oberfläche
Modul-Test: Stufe 1
Vertikaler Teststand: Nackte Cavity in He-Bad Simple Antenne CW-Betrieb bei geringer Leistung
Modul-Test: Stufe 2
Chechia Teststand:
Cavity im Kryostaten - Koppler - He-Tank - Tuner - etc.Realistischer RF-Puls mit voller LeistungDauertests
Modul-Test: Stufe 3
TESLA Test Facility
Strahltest
Resultate:
Resultate:
23.4 MV/m = 500 GeV Strahltest TTF-1
35 MV/m = 800 GeV Chechia Test TTF-2 in Vorbereitung
Der TESLA Detektor
ähnelt einem LEP Detektor …
Der TESLA Detektor
AuflösungImpuls 1/10 LEPImpaktparameter 1/3 SLDJet-Energie 1/2 LEP
Energie-Fluss Messung
e+e- Z0 H H qq bb bb
Rekonstruktion der Partonimpulse
Jet-Energie60% geladene Teilchen30% Photonen10% neut. Hadronen
Ideal: ΔE/E = 15%/√Eaber
Überlapp / Miss-IDerwartet:
ΔE/E = 30%/√E
Energie-Fluss MessungMassenrekonstruktion: e+e- νν WW e+e- νν ZZ
TESLA LEP
Vorwärtskalorimeterie
Luminositätsmessung
ΔL/L = 10-4
Luminositätsmessung
ΔL/L = 10-4 Hermitizität
bis 5 mrad
Hermitizität
bis 5 mrad
GeV
Strahlmonitoring
verspricht
Schwerpunktsenergie bis 800 GeVHohe LuminositätExzellenter Detektor
Physik mit TESLA
Beispiel: Supersymmetrie
Teilchenspektrum
Fermionen BosonenBosonen Fermionen
Supersymmmetrie gebrochenm(X) ≠ m(X)
~
SUSY Motivation 1
Hierarchie Problem
Elektronenmasse
e
Strahlungskorrekturen
δme ≈ 0.2 me
Higgsmasse
H Hf
δmH ≈ 1030 GeV
f~
H H
δmH ≈ -1030 GeV
SUSY Motivation 2
Vereinigte Wechselwirkungen
An der GUT Skala werden• elektromagnetische WW• schwache WW• starke WWgleich stark
Ideen zur Vereinigung mit• Gravitationenthalten Supersymmetrie
SUSY Motivation 3
Dunkle Materie
Leichtestes SUSY Teilchen stabil massiv schwach wechselwirkend
WIMP Weakly Interacting Massive Particle
m ≈ 200 GeV
Entdeckung neuer Teilchen
Studium derMechanismen
bei LHCbei TESLA
Zwei starke Partner:
LHC + TESLA ergänzen sich:
typisches SUSY MassenspektrumLHCq, g: hoher WQ; ‘einfach’ nachweisbarl: WQ sehr klein; kaum nachweisbar
TESLAq, g: meist ausserhalb der des Massenbereichesl: einfach nachweisbar; präzise zu vermessen
GeV
700
600
500
400
300
200
100
0
Higgs s-Leptonen χ0 χ± s-quarks
SUSY @ TESLA
e+ e-
μ+
μ-
χ0~
χ0~μ-~
μ+~
e+e- Z0 μ+μ-~ ~
1 Jahr @ √s = 500 GeV Effiziens: 63 % Reinheit: 94 %
Kinematische Endpunkte Massen μ: 146.00 ± 0.11 GeV χ: 100.02 ± 0.08 GeV
~~
SUSY @ LHC
Typische Zerfallskette
Massenrekonstruktion
m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV
m(g) – m(b2): 63.9 ± 2.4 GeV
~ ~
~ ~
ATLAS3 Jahre
High Lumi
LHC + TESLA ergänzen sich:
Gluinos-quarkss-leptonsNeut./CharginosHiggs
LHC + TESLA brauchen einander:
LHC: Massendifferenzen starke Korrelationen
TESLA liefert Massenskala
LHC LHC + TESLA
g 8.0 6.4
qL 8.7 4.9
qR 11.8
10.9
b1 7.5 5.7
b2 7.9 6.3
~~
~~~
LHC + TESLA brauchen einander:Rekonstruktion der fundamentalen Theorie
Gaugino s-Fermionen 1. Gen. s-Fermionen 3. Gen.
wenigeNaturkonstanten
105Parameter Massen
TESLA
TESLA
LHC
LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
LHC identifiziertModell durch
komplementäreReaktionen
PotentielleModelle
entwickelt
Präzisionsmessungbei TESLA zeigt
Anomalie
Ein mögliches Szenario
1. modellunabhängiges‘screening’ aller
Ereignisse
2. modellunabhängigeSignale durch
Präzision
dedizierte Suchemodifizierter TriggerDetektor-upgradesEin wahrscheinliches Szenario ?
LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
H1 findet Überschuss: Isolierte Leptonen mit pT
Mögliches Modell: Higgs Tripletts mit starker Yukawa Kopplung zur 1.ten Generation
LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
In Folge:
OPAL sucht nachähnlichen Phänomenen
hier:
Modell ausgeschlossen
H++
e+e-
e+e-
TESLA + LHC
Beispiel: Supersymmetrie
Untersuchen unterschiedliche Aspekter neuer Phänomene
Erst gemeinsame Analysen
zeigen das ganze Bild
Nur mit zeitlichen Überlapp
lassen sich die Projekte voll ausnützen
Polarisation bei TESLA
Physikpotential
Polarisierte Elektronenquelle
Polarisierte Positronenquelle
Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
SUSY Partner
fL fR
fR
~
gleiche Massen
versch. Massen ?
fL
fR
M1
M2Wie gehören sie zusammen ?
fL
~
Bsp: S-Elektron Erzeugung
e+~e+
e- e-~
, Z
e+
e-
e+~
e-~
ν~
Rekonstruktion der Massenaus der Zerfallskinematik
e+~e+
e- e-~
, Z
e+
e-
e+~
e-~
ν~
e+L
~e-
L
~
e+R
~e-
R
~and
e+R
~e-
R
~
J = 1e- e+
e+~e+
e- e-~
, Z
e+
e-
e+~
e-~
ν~
e+L
~e-
L
~
e+R
~e-
R
~and
e+L
~e-
L
~
J = 1e- e+
e+~e+
e- e-~
, Z
e+
e-
e+~
e-~
ν~ e+L
~e-
R
~
J = 0e- e+
Bsp: S-Muon Erzeugung
μ+~e+
e- μ-~
, Z
e+
e-
W+
W-
ν
Signal
Haupt-Untergrund
μ μ χ0~
W μ ν
detektiert unsichtbar
detektiert unsichtbar
μ+~e+
e- μ-~
, Z
e+
e-
W+
W-
ν
J = 1e- e+
R L
erlaubt
verboten:Paritätsverletzung
Elektron/Positron Quellen
Polarisierte e- Quelle:
Photoeffekt auf GaAs Kristall
Polarisierte e- Quelle
einfaches Modell
+ Spin-Bahn Kopplung
+ Anisotroper Kristall
Aufbau des Kristalls
100 nm GaAs
SLC Quelle: <P> = 77 % (97/98)
Neue Entwicklung: Strained Super Lattice
Aufbau des Kristalls
Strained Super Lattice
SLC: <P> = 74 %E158: <P> = 86 %LC spec: <P> = 80 %Ziel: <P> = 90 %
Ladung okay
Oberfläche empfindlich (UHV < 10-11 Torr) keine RF-guns ?
Polarisierte e- Quelle
Polarisierte e- Quelle
Strained Super Lattice
charge limit overcome
high polarisation
SLC: <P> = 74 %E158: <P> = 86 %LC spec: <P> = 80 %Goal: <P> = 90 %
but ...GaAs crystals are very sensitive need UHV (< 10-11 Torr)
Konventionelle e+ Quelle:
Targets nahe der Zerstörungsschwelle
3 Targets+1 Reserve
Photonen günstiger
unpolarisiert
Polarisierte e+ Quelle:TESLA baseline design: Undulator basierte Quelle
Idea byBalakin andMichailichenko(1979)
Helikaler Undulator
e-Strahl
Magnetstruktur: rotierendes Feld
Erzeugt zikular pol.Synchrotronstrahlung
VLEPP 1986
Strom
Strom
Helikaler Undulator
Helikaler Undulator
Helikaler Undulator
E166 Prototyp
Ø 0.89 mm
Prototyp of TESLA Undulatorspulen
e-Energie min. 150 GeVUndulatorperiode 1.4 cmUndulatorlänge 135 mPhoton-Energie < 10 MeVAusbeute 1 / e- / m ≈ 2 1012
Positron ProduktionPaar Produktion in0.5 X0 Ti-W Target
polarised photons polarised positrons
für 100 % pol. Photonen
Pos.Pol.: -spec. x -pol. x pair x e+-pol. x capture prob.
E166: Testexperiment am SLAC
STAND
Drei Projektvorschläge
Next Linear Collider
Japanese Linear Collider
DESY/HamburgSupraleitend, 1.3 GHz
USA (FermiLab)normalleitendS-Band 11.4 GHz
Japan (KEK)normalleitendS-Band 11.4 GHz
Aktueller Stand
März 2001: TESLA Technical Design ReportDez. 2002: Empfehlung durch den WRFeb. 2003: BMBF internationale Einigung abwartenEnde 2004: Wise Persons Technologieempfehlung2006/2007: Standortentscheidung / Genehmigung≈ 2015: Experimentierbetrieb
Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP
(ACFA / HEPAP / ECFA)
Hoffentlich bald :
Danke ….
Power Consumption
XFEL Standort
E-166 Beamline Schematic
50 GeV, low emittance electron beam
2.4 mm period, K=0.17 helical undulator
0-10 MeV polarized photons
0.5 rad. len. converter target
51%-54% positron polarization
E-166 Background Test, now
Experimental Setup