motivation - konzepte - neue entwicklungen achim stahl desy zeuthen aachen – 24. nov. 2003
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Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen
Achim StahlDESY Zeuthen
Aachen – 24. Nov. 2003
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Das TESLA Projekt Űberblick Stand der Technik
Physik mit TESLA Beispiele
Polarisation bei TESLA Ziele Realisierung
Status
Inhalt
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TESLA Beschleunigeranlage
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33 km Tunnel5.2 m Ø
Experimentiergeländebei Ellerhoop
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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
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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
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Teilchenbeschleunigung
Elektrostatischer Beschleuniger
Bis einige MeV
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Teilchenbeschleunigung
Mikrowellen-Beschleuniger
23.4 MeV / Meter 500 GeV35. MeV / Meter 800 GeV
} 11 km
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Teilchenbeschleunigung
Mögliche Verbesserungen :
Höhere Feldstärken
Längere Beschleunigungsstrecke
Grenze: Feldstärken an den OberflächenZusammenbruch der SupraleitungFeldemission von Elektronen
Grenze: Kosten
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R&D Programm: Supraleitende Resonatoren
Gestartet1992von B. Wiik
Ziel:Beschl.Gradient x 5Kosten x 1/5
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Beschleunigungsmodule: supraleitend
Chemische Politur Elektropolitur
Extreme Anforderungen
ReinheitRauhigkeit
der Oberfläche
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Modul-Test: Stufe 1
Vertikaler Teststand: Nackte Cavity in He-Bad Simple Antenne CW-Betrieb bei geringer Leistung
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Modul-Test: Stufe 2
Chechia Teststand:
Cavity im Kryostaten - Koppler - He-Tank - Tuner - etc.Realistischer RF-Puls mit voller LeistungDauertests
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Modul-Test: Stufe 3
TESLA Test Facility
Strahltest
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Resultate:
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Resultate:
23.4 MV/m = 500 GeV Strahltest TTF-1
35 MV/m = 800 GeV Chechia Test TTF-2 in Vorbereitung
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Der TESLA Detektor
ähnelt einem LEP Detektor …
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Der TESLA Detektor
AuflösungImpuls 1/10 LEPImpaktparameter 1/3 SLDJet-Energie 1/2 LEP
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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
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Energie-Fluss MessungMassenrekonstruktion: e+e- νν WW e+e- νν ZZ
TESLA LEP
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Vorwärtskalorimeterie
Luminositätsmessung
ΔL/L = 10-4
Luminositätsmessung
ΔL/L = 10-4 Hermitizität
bis 5 mrad
Hermitizität
bis 5 mrad
GeV
Strahlmonitoring
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verspricht
Schwerpunktsenergie bis 800 GeVHohe LuminositätExzellenter Detektor
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Physik mit TESLA
Beispiel: Supersymmetrie
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Teilchenspektrum
Fermionen BosonenBosonen Fermionen
Supersymmmetrie gebrochenm(X) ≠ m(X)
~
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SUSY Motivation 1
Hierarchie Problem
Elektronenmasse
e
Strahlungskorrekturen
δme ≈ 0.2 me
Higgsmasse
H Hf
δmH ≈ 1030 GeV
f~
H H
δmH ≈ -1030 GeV
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SUSY Motivation 2
Vereinigte Wechselwirkungen
An der GUT Skala werden• elektromagnetische WW• schwache WW• starke WWgleich stark
Ideen zur Vereinigung mit• Gravitationenthalten Supersymmetrie
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SUSY Motivation 3
Dunkle Materie
Leichtestes SUSY Teilchen stabil massiv schwach wechselwirkend
WIMP Weakly Interacting Massive Particle
m ≈ 200 GeV
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Entdeckung neuer Teilchen
Studium derMechanismen
bei LHCbei TESLA
Zwei starke Partner:
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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
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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
~~
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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
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LHC + TESLA ergänzen sich:
Gluinos-quarkss-leptonsNeut./CharginosHiggs
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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
~~
~~~
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LHC + TESLA brauchen einander:Rekonstruktion der fundamentalen Theorie
Gaugino s-Fermionen 1. Gen. s-Fermionen 3. Gen.
wenigeNaturkonstanten
105Parameter Massen
TESLA
TESLA
LHC
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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 ?
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LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
H1 findet Überschuss: Isolierte Leptonen mit pT
Mögliches Modell: Higgs Tripletts mit starker Yukawa Kopplung zur 1.ten Generation
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LHC + TESLA brauchen zeitlichen Überlapp ?
In Folge:
OPAL sucht nachähnlichen Phänomenen
hier:
Modell ausgeschlossen
H++
e+e-
e+e-
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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
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Polarisation bei TESLA
Physikpotential
Polarisierte Elektronenquelle
Polarisierte Positronenquelle
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Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
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Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
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Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
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Polarisation bei TESLA
Elektron Positron
Impuls Spin
Eindeutiger Anfangszustand
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SUSY Partner
fL fR
fR
~
gleiche Massen
versch. Massen ?
fL
fR
M1
M2Wie gehören sie zusammen ?
fL
~
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Bsp: S-Elektron Erzeugung
e+~e+
e- e-~
, Z
e+
e-
e+~
e-~
ν~
Rekonstruktion der Massenaus der Zerfallskinematik
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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+
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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+
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e+~e+
e- e-~
, Z
e+
e-
e+~
e-~
ν~ e+L
~e-
R
~
J = 0e- e+
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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
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μ+~e+
e- μ-~
, Z
e+
e-
W+
W-
ν
J = 1e- e+
R L
erlaubt
verboten:Paritätsverletzung
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Elektron/Positron Quellen
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Polarisierte e- Quelle:
Photoeffekt auf GaAs Kristall
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Polarisierte e- Quelle
einfaches Modell
+ Spin-Bahn Kopplung
+ Anisotroper Kristall
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Aufbau des Kristalls
100 nm GaAs
SLC Quelle: <P> = 77 % (97/98)
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Neue Entwicklung: Strained Super Lattice
Aufbau des Kristalls
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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
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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)
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Konventionelle e+ Quelle:
Targets nahe der Zerstörungsschwelle
3 Targets+1 Reserve
Photonen günstiger
unpolarisiert
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Polarisierte e+ Quelle:TESLA baseline design: Undulator basierte Quelle
Idea byBalakin andMichailichenko(1979)
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Helikaler Undulator
e-Strahl
Magnetstruktur: rotierendes Feld
Erzeugt zikular pol.Synchrotronstrahlung
VLEPP 1986
Strom
Strom
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Helikaler Undulator
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Helikaler Undulator
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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
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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.
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E166: Testexperiment am SLAC
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STAND
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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
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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)
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Hoffentlich bald :
Danke ….
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Power Consumption
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XFEL Standort
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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
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E-166 Background Test, now
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Experimental Setup