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Das TESLA ProjektMarkus Schumacher, Universität Bonn
Herbstschule Maria Laach 2003
Physik
DetektorBeschleuniger
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 2
Inhalt der Vorlesungen
Ein neuer e+e- Beschleuniger : warum ?
Der TESLA Beschleuniger: Technologiewahl und grundlegendes Design
Der Detektor :Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen
Das Physikpotenzial: Higgs, SUSY, zusätzliche Raumdimensionen, …
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 3
1. Ein neuer e+e-Beschleuniger:
warum ?
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 4
Status der Teilchenphysik heute
•ZHH
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 !
„Particle Physics today is in an excellentyet curious state“ (TESLA TDR)
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 5
Einige der grundlegenden Fragen
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
Manche Antworten auf diese Fragen mit neuen Beschleunigern:
1. Hohe Energien und 2. Präzise Messungen
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 6
e+e- Beschleuniger und pp Beschleuniger
Kollision punktförmiger Teilchen Kollision zusammengesetzter Teilchenmit 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 Prozessesdes Anfangszustandes sind nicht gut bekannt
rein hadronische Endzustände rein hadronische Endzuständeselektier- u. rekonstruierbar schwierig zu “triggern” u. selektieren
geeignet für Entdeckungen und am Besten geeignet für EntdeckungenHochpräzisionsmessungen (energy frontier) und einige, erste
Präzisionsmessungen
Lepton und Hadron Beschleuniger sind komplementär!
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 7
Hadron- und Leptonbeschleuniger
Etablierung des Standardmodells
Beispiel: top-Quark
LEP+SLD: Massenvorhersage durchPräzision
LEP+Tevatron:Vorhersage derHiggs-Masse im SM
Tevatron:Entdeckung
Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wirjetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen!
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 8
Livingston Plot: “Moving off the Line!”
TESLANur Hadron- und Leptonbeschleunigergemeinsam können uns ein komplettes und präzises Bild von der mikroskopischen Welt liefern !
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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 =
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 10
Welche Luminosität: N = Lσ ?
Physik:• so viel wie möglich, σ ~ 1/ Ecm L ~ Ecm• Präzisionsmessung mit Fehler O(1%) >10000 Ereignisse• Beispiel: SM-Higgs Produktion ~20fb brauchen 500 fb-1
22
<5 Jahre = <500 Tage
Pro Tag >1 fb-1 oder
L >1 x 1034 cm-2s-1
und manchmal ist auch deutlich mehr erwünscht
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2. Tera Electron Volt EnergySuperconductingLinear Accelerator
Technologiewahl und Design
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Warum linear ?
B 2222
2BECceP γγ π
=
Energieverlust pro Umlauf(mittlerer Ablenkradius ρ)
ρ=∆ γ
4
/EC
revE
Energieverlust muss durch RF-System ersetzt werden !
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Kostenskalierung beim Ringbeschleuniger
• Lineare Kosten: (Tunnel, Magnete, etc.)$lin ∝ ρ
• RF Kosten:$RF ∝ ∆E ∝ E4/ρ
• Optimum, wenn$lin = $RF
optimierte Kosten ($lin+$RF) Skalieren mit E2 (bzw. ρ)
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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 !?
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Ausweg: Linearbeschleuniger
Keine Ablenkung keine Synchrotronstrahlung aber viel RF!
e+ e-
10 km Note: for LC, $tot ∝ E
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)
Zweite Kenngrösse: L ≥ 1034 cm-2 s-1
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Kurze Geschichte der Linearbeschleuniger
A Possible Apparatus for Electron-Clashing Experiments (*).
M. TignerLaboratory 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.”
schon damals:supraleitend vorgeschlagen
Einwand:Kosten, kleiner Gradient
1965
15 Jahre F&E-Arbeit für einen LinearbeschleunigerSLC (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-)
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Luminosität
Dyx
repb HfNn
L ×= **
2
4 σπσ
Strahl-Strahl-WechselwirkungErhöhung um 1.5 2 durch“pinch effect”
Teilchenim Paket
Anzahl der Paketeim “bunch train”
Wiederholrate der“bunch trains”
Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt (IP)
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 18
e+e- Beschleuniger: Parametervergleich
Strahlquerschnitt ∆t(Bunch)[ns] L[1034cm-2s-1]
Stanford linear collider
Final Focus Test Beam (SLAC)
LEP: σxσy ≈ 130×6 µm2 22000 0.006
8.3x106 0.0003
337 3.4
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 19
Luminosität
( ) Dyx
brepcmcm
HNNnfEE
L ×⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= **
14
1σσπ
PStrahl
Dyxcm
RF HNEPL ×⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
σ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛σ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ηπ
= **
141
Effizienz
Beamstrahlung (Energieverlust δE/E)
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 20
Beamstrahlung
e+
e−γγ
γ
Abstrahlung harterPhotonen imstarken el. Feld= Beamstrahlung
2
* *cm
BSz x y
EE NE
δσ σ σ
⎛ ⎞∆= ∝ ⎜ ⎟⎜ ⎟+⎝ ⎠
Energieverschmierung+Untergrund in DetektorGrenze: δBS ~ einige %
Idee: flache Strahlen (σy<<σx ) minimiere Beamstrahlungdennoch kleines σyσx hohe Luminosität
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Luminosität
IP Fokusierung & Strahlemittanz
( )1
23
2 *
1RFBS z D
ycm
PL HEη δ σ
σ⎛ ⎞⎛ ⎞
∝ ×⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
yyy εβσ ** =γ
βε=σ
** yyy
cm
yyy E
** βε∝σ
Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : ηRF
Hohe RF-Leistung (Klystron)Kleiner vertikaler Strahlquerschnitt: σ,y
Grosse Paketlänge σz (vorläufig)
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Grenze für Fokussierungtiefe β*
- 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
-2000 -1000 0 1000 2000 3000
-40
-20
0
20
40
IP (s = 0)
y
s
)0(,)( **
2* =β=β
β+β=β sss
σz
β* = “Tiefe des Fokus”
Vernünftige untereGrenze für β* ist die Paketlänge σz,, sonstLuminositätsverlust
Setze β* = σz
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 23
Luminosität: Finale Gleichung
21
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
εδ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ η∝
y
BS
cm
RF
EPL
Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : ηRF
Hohe RF-Leistung (Klystrons)Kleine vertikale Strahlemittanz: εn,y
Starke Fokusierung am IP (kleines βy kleines σz)
Für gegebene Schwerpunktsenergie, BeamstrahlungδBS und Primärleistung
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 24
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
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 25
Effizienz des Transfers: Primärleistung Strahl
Kenngrößen für Kavitäten:
Spezifische Shuntimpedanz Rs
Rs =
Güte Q: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
ηRF = 17% (supraleitend, TESLA, inkl. Kühlleistung)= 6 bis 8 % (normalleitend, NLC)
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 26
“Wake”-Felder , Schleppwellenfelder
∆tb
Longitudinale Wl~ f2
Energieverschmierung
TESLA C-band X-band10−6
10−5
10−4
10−3
CLIC
Wt/GradientTransversale Wt~ f3
Emittanzvergrößerung
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 27
“Wake”-Felder, Ausrichtungstoleranzen
VerschobeneKavität δy
“Banana”
Emittanzanstieg:∆ε=δy2 (Wt Neσz)2β/G
~ Frequenz6
Toleranzen: δy ~ 1/ (Wt Neσz) (G/β)1/2
Kompensation für normalleitende Kavitäten durch
stärkere Fokussierung β, höheren Gradienten G, kleinere Paketladung Ne
Dennoch: Genauigkeitsanforderungen NLC = 100xTESLA
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 28
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 schnelleRückkopplungskorrektur 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
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 29
Der Gradientgrundlegende Grenze bei 55MV/m
für größere Felder wird B> kritisches B-Feld für Supraleitungsupraleitende 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)
λ/2 Supraleitende 9-zellige Niobkavität
~1m
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 30
Die TESLA Die TESLA KollaborationKollaboration
1. Workshop 1990 Cornell Gründung: 1992 am DESY
Ziel: „proof of principle“ für Supraleitenden Linearbeschleuniger
Zur Zeit: 12 Nationen, 49 Institute
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 31
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)
Die Kavitäten werden in Ultrareinräumen vorbereitetund zusammengebaut
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 32
Der Gradient
Gradienten über 35 MV/m (Anforderung für 800 GeV) erreichtnach verbesserter Oberflächenbehandlung (“electro-polishing”):
etching - “buffered chemical polish“ electro-polishing
200 µm 200 µm
BCP EP
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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
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 34
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
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 35
Linearbeschleuiger = Linac + viel mehr!
Supraleitender Linac: effiziente Beschleunigungmit geringem Emittanzanstieg
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 mitkleiner Emittanz und kleiner Strahlquerschnitt am IP
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 36
Überlick über TESLA
Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV
Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s 950 µs 199 ms 950 µs
2820 bunches
Weitere Optionen
γγ, eγ, e-e-,
ep (THERA), eN
Zeit zw. Kollisionen: 337 ns
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 37
Elektronen-Quelle
120 kV
electrons
laser photons
GaAscathode
λ = 840 nm
20 mm
Laser auf GaAs-Kathode
Test facility at DESY/Zeuthen: PITZ
kleine transversale Emittanzgroße Ladung pro Paket, kleine Bunch-LängenPolarisierte Elektronen (Ziel 80% am IP)
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 38
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%)!
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 39
DämpfungsringeEmittanzen aus Elektronen- und Positronenquelle zu groß ! Ziel γεy = 3×10−8 m = Reduzierung um Faktor 10000
Lange Pulse: 950ms×c=285km! Komprimiere Bunch Train auf 18km
δpδp
γdipole RF cavity Energieverlust durch
Abstrahlung + Nachbeschleunigung
“dog-bone” Design: 90% des Umfangs” im Linac-Tunnel
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 40
“Beam Delivery System”
σy = 5 nmσy = 5 nmFokussierung: ×1/600Fokussierung: ×1/600
Kollimationssystem
Final Focus System
σy = 3 µmσy = 3 µm
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 41
Stabilisierung der Luminosität
Genauigkeit der Strahlführung: Versatz am IP < 0.1 σy=0.5nm Winkel < 1.2 µrad
Störung durch z.B. Erdvibrationen Strahlgesteuerte Rückkopplung
Versatz bewirkt “Beam-Beam-Kick”
Messung durch BeamPositionMonitor
Kicker-Magnete korrigieren Orbit
Schnelle Korrektur innerhalb eines
Trains möglich (∆t(Bunch) = 337 ns)
Prinzip bei TTF getestet
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 42
Ein Standort
Ellerhoop (16.5 km)
Westerhorn (32.8 km)
DESYHERA
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 43
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!