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Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen
Achim Stahl
DESY Zeuthen
Aachen – 24. Nov. 2003
Inhalt
Das TESLA Projekt
 Űberblick
 Stand der Technik
Physik mit TESLA
 Beispiele
Polarisation bei TESLA
 Ziele
 Realisierung
Status
TESLA Beschleunigeranlage
33 km Tunnel
5.2 m Ø
Experimentiergelände
bei Ellerhoop
Ringbeschleuniger
LEP:
 Emax 209 GeV
 U 22,7 km
 R 3,7 km
Energieverlust:
4 π α E4
ΔE =
3
m4 R
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:
Trefferwahrscheinlichkeit
 LEP-I:
recycled beam
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 GeV
35. MeV / Meter  800 GeV
}
11 km
Teilchenbeschleunigung
Mögliche Verbesserungen :
Höhere Feldstärken
Grenze: Feldstärken an den Oberflächen
Zusammenbruch der Supraleitung
Feldemission von Elektronen
Längere Beschleunigungsstrecke
Grenze: Kosten
R&D Programm: Supraleitende Resonatoren
Ziel:
Beschl.Gradient x 5
Kosten
x 1/5
Gestartet
1992
von B. Wiik
Beschleunigungsmodule: supraleitend
Extreme Anforderungen
Reinheit
Rauhigkeit
der Oberfläche
Chemische Politur
Elektropolitur
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 Leistung
Dauertests
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
ähnelt einem LEP Detektor …
Auflösung
Impuls
Impaktparameter
Jet-Energie
1/10 LEP
1/3 SLD
1/2 LEP
Energie-Fluss Messung
Rekonstruktion der
Partonimpulse
Jet-Energie
60% geladene Teilchen
30% Photonen
10% neut. Hadronen
Ideal: ΔE/E = 15%/√E
aber
Überlapp / Miss-ID
erwartet:
ΔE/E = 30%/√E
e+e-  Z0 H H  qq bb bb
Energie-Fluss Messung
Massenrekonstruktion: e+e-  νν WW
TESLA
e+e-  νν ZZ
LEP
Vorwärtskalorimeterie
Luminositätsmessung
ΔL/L = 10-4
Hermitizität
bis 5 mrad
Strahlmonitoring
GeV
verspricht
Schwerpunktsenergie bis 800 GeV
Hohe Luminosität
Exzellenter Detektor
Physik mit TESLA
Beispiel: Supersymmetrie
Teilchenspektrum
Fermionen  Bosonen
Bosonen  Fermionen
Supersymmmetrie gebrochen
~
m(X) ≠ m(X)
SUSY Motivation 1
Hierarchie Problem
Higgsmasse
Elektronenmasse

H
e
H
δmH ≈ 1030 GeV
Strahlungskorrekturen
δme ≈ 0.2 me
f
~
f
H
H
δmH ≈ -1030 GeV
SUSY Motivation 2
Vereinigte Wechselwirkungen
An der GUT Skala werden
• elektromagnetische WW
• schwache WW
• starke WW
gleich stark
Ideen zur Vereinigung mit
• Gravitation
enthalten Supersymmetrie
SUSY Motivation 3
Dunkle Materie
Leichtestes SUSY Teilchen
 stabil
 massiv
 schwach wechselwirkend
m ≈ 200 GeV
WIMP Weakly
Interacting
Massive
Particle
Zwei starke Partner:
Entdeckung
neuer Teilchen
bei LHC
Studium der
Mechanismen
bei TESLA
LHC + TESLA ergänzen sich:
LHC
q, g: hoher WQ;
‘einfach’ nachweisbar
l:
WQ sehr klein;
kaum nachweisbar
typisches SUSY Massenspektrum
GeV
700
600
TESLA
q, g: meist ausserhalb der
des Massenbereiches
l:
einfach nachweisbar;
präzise zu vermessen
500
400
300
200
100
0
Higgs s-Leptonen
χ0 χ±
s-quarks
SUSY @ TESLA
~0
χ
e+e-  Z0  μ~+μ~-
~
μ+
e+
~0
χ
~
μ-
μ+
e-
μKinematische Endpunkte  Massen
~
μ: 146.00 ± 0.11 GeV
~
χ: 100.02 ± 0.08 GeV
1 Jahr @ √s = 500 GeV
Effiziens: 63 %
Reinheit: 94 %
SUSY @ LHC
Typische Zerfallskette
Massenrekonstruktion
~ – m(b
~ ): 98.1 ± 1.4 GeV
m(g)
1
~
~
m(g) – m(b2): 63.9 ± 2.4 GeV
ATLAS
3 Jahre
High Lumi
LHC + TESLA ergänzen sich:
Gluino
s-quarks
s-leptons
Neut./Charginos
Higgs
LHC + TESLA brauchen einander:
LHC: Massendifferenzen
 starke Korrelationen
TESLA liefert Massenskala
LHC
~
g
~
qL
~
qR
~
b1
~
b2
LHC +
TESLA
8.0
6.4
8.7
4.9
11.8
10.9
7.5
5.7
7.9
6.3
LHC + TESLA brauchen einander:
Rekonstruktion der fundamentalen Theorie
Gaugino
s-Fermionen 1. Gen.
s-Fermionen 3. Gen.
TESLA
TESLA
LHC
wenige
Naturkonstanten
105
Parameter
Massen
LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
Ein mögliches Szenario
Präzisionsmessung
bei TESLA zeigt
Anomalie
1. modellunabhängiges
‘screening’ aller
Ereignisse
Potentielle
Modelle
entwickelt
2. modellunabhängige
Signale durch
Präzision
Ein wahrscheinliches Szenario ?
LHC identifiziert
Modell durch
komplementäre
Reaktionen
dedizierte Suche
modifizierter Trigger
Detektor-upgrades
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 nach
ähnlichen Phänomenen
e+
eH++
e-
e+
hier:
Modell ausgeschlossen
TESLA + LHC
 Untersuchen unterschiedliche
Aspekter neuer Phänomene
 Erst gemeinsame Analysen zeigen
das ganze Bild
 Nur mit zeitlichen Überlapp lassen
sich die Projekte voll ausnützen
Beispiel: Supersymmetrie
Polarisation bei TESLA
 Physikpotential
 Polarisierte Elektronenquelle
 Polarisierte Positronenquelle
Polarisation bei TESLA
Elektron
Impuls
Positron
Spin
Eindeutiger Anfangszustand
Polarisation bei TESLA
Elektron
Impuls
Positron
Spin
Eindeutiger Anfangszustand
Polarisation bei TESLA
Elektron
Impuls
Positron
Spin
Eindeutiger Anfangszustand
Polarisation bei TESLA
Elektron
Impuls
Positron
Spin
Eindeutiger Anfangszustand
SUSY Partner
gleiche Massen
fL
fR
~
fL
~
fR
versch. Massen ?
fL
M1
fR
M2
Wie gehören sie zusammen ?
Bsp: S-Elektron Erzeugung
e+
~+
e
, Z
~
e-
e-
Rekonstruktion der Massen
aus der Zerfallskinematik
e+
~+
e
ν~
e-
~
e-
e+
e-
e+
~+
e
, Z
and
~
e-
ee+
~+
e
ν~
e-
~+ ~
e
Le L
~
e-
~+ ~
e
e
R R
~+ ~
e
Re R
J=1
e+
e-
e+
~+
e
, Z
and
~
e-
ee+
~+
e
ν~
e-
~+ ~
e
Le L
~
e-
~+ ~
e
e
R R
~+ ~
e
Le L
J=1
e+
e-
e+
~+
e
, Z
~
e-
ee+
~+
e
ν~
e-
~
e-
~+ ~
e
Le R
J=0
Bsp: S-Muon Erzeugung
e+
, Z
μ~+
~
μ-
ee+
W+
ν
e-
W-
Signal
μ~  μ χ0
detektiert
unsichtbar
Haupt-Untergrund
Wμν
detektiert
unsichtbar
e+
eR
e+
L
, Z
J=1
μ~+
erlaubt
~
μ-
ee+
W+
ν
e-
W-
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)
Aufbau des Kristalls
Neue Entwicklung: Strained Super Lattice
Polarisierte e- Quelle
Strained Super Lattice
SLC:
E158:
LC spec:
Ziel:
<P> = 74 %
<P> = 86 %
<P> = 80 %
<P> = 90 %
Ladung okay
Oberfläche empfindlich
(UHV < 10-11 Torr)
keine RF-guns ?
Polarisierte e- Quelle
Strained Super Lattice
 charge limit overcome
 high polarisation
SLC:
E158:
LC spec:
Goal:
<P> = 74 %
<P> = 86 %
<P> = 80 %
<P> = 90 %
but ...
GaAs crystals are very sensitive
 need UHV (< 10-11 Torr)
Konventionelle e+ Quelle:
unpolarisiert
Targets nahe der
Zerstörungsschwelle
3 Targets
+1 Reserve
Photonen günstiger
Polarisierte e+ Quelle:
TESLA baseline design: Undulator basierte Quelle
Idea by
Balakin and
Michailichenko
(1979)
Helikaler Undulator
Magnetstruktur:
rotierendes Feld
Strom
Erzeugt zikular pol.
Synchrotronstrahlung
e-Strahl
Strom
VLEPP 1986
Helikaler Undulator
Helikaler Undulator
Helikaler Undulator
Ø 0.89 mm
Prototyp of TESLA Undulatorspulen
E166 Prototyp
e-Energie
min. 150 GeV
Undulatorperiode
1.4 cm
Undulatorlänge
135 m
Photon-Energie
< 10 MeV
Ausbeute
1  / e- / m ≈ 2 1012
Positron Produktion
Paar Produktion in
0.5 X0 Ti-W Target
für 100 % pol. Photonen
polarised photons
 polarised positrons
Pos.Pol.: -spec. x -pol. x pair x e+-pol. x capture prob.
E166: Testexperiment am SLAC
STAND
Drei Projektvorschläge
DESY/Hamburg
Supraleitend, 1.3 GHz
Next
Linear
Collider
USA (FermiLab)
normalleitend
S-Band 11.4 GHz
Japan (KEK)
normalleitend
S-Band 11.4 GHz
Japanese Linear Collider
Aktueller Stand
Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP
(ACFA / HEPAP / ECFA)
März 2001:
Dez. 2002:
Feb. 2003:
Ende 2004:
2006/2007:
≈ 2015:
TESLA Technical Design Report
Empfehlung durch den WR
BMBF internationale Einigung abwarten
Wise Persons Technologieempfehlung
Standortentscheidung / Genehmigung
Experimentierbetrieb
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