tesla : linearbeschleuniger ee achim stahl desy zeuthen
TRANSCRIPT
TESLA: Linearbeschleunigere e
Achim Stahl DESY Zeuthen
TESLA: Linearbeschleunigere e
Achim Stahl DESY Zeuthen
Teilchenphysik
Strukturforschung
TESLA Beschleunigeranlage
33 km Tunnel5.2 m Ø
Experimentiergeländebei Ellerhoop
Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
ca. 10-19 pro e pro Kollision
Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
ca. 10-19 pro e pro Kollision
Kreisbeschleuni- gung
Strahlungsverlust
E = --------- ----------4 E4
3 m4 R
Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
ca. 10-19 pro e pro Kollision
Kreisbeschleuni- gung
Strahlungsverlust
E = --------- ----------4 E4
3 m4 R
Kein Strahlungsverlust
209 GeV
500 GeV800 GeV ?
Teilchenbeschleunigung
Elektrostatischer Beschleuniger
Bis einige MeV
Teilchenbeschleunigung
Mikrowellen-Beschleuniger
23.4 MeV / Meter 500 GeV35. MeV / Meter 800 GeV
} 10 km
Teilchenbeschleunigung
Mögliche Verbesserungen :
Höhere Feldstärken
Längere Beschleunigungsstrecke
Grenze: Feldstärken an den OberflächenZusammenbruch der SupraleitungFeldemission von Elektronen
Grenze: Kosten
Beschleunigungsmodule: supraleitend
Chemische Politur Elektropolitur
Extreme Anforderungen
ReinheitRauhigkeit
der Oberfläche
Beschleunigungsgradienten
9-zellige ModuleProduktionsserie
Einzelne ZellePrototyp
Chemische Politur Elektropolitur
23.3 +/- 2.3 MV/m ca. 35 MV/m
TTF: TESLA Test Facility
Aufbau eines Moduls Aus 8 9-Zellern
TTF: TESLA Test Facility
Blick auf die Quelleentlang desBeschleunigers
22 MV/merreicht
Teilchenphysik mit TESLA
e+ e- KollisionenEnergie (c.m.) : bis 500 / 800 GeV
Luminosität: 3.4 1034 cm-2 s-1
(bei 500 GeV)
- e-e-e-
- TESLA – HERA- e- Nukleon- Giga Z0
Auf der Suche nach dem Ursprung der Masse
Neutrino Elektron d-Quark u-Quark
Neutrino Müon s-Quark c-Quark
Neutrino Tau b-Quark t-Quark
~ meV
~ meV
~ meV
511 keV
105 MeV
1.8 GeV
~ 3 MeV ~ 5 MeV
120 MeV 1.2 GeV
175 GeV
4.2 GeV
Materie (Fermionen)
Auf der Suche nach dem Ursprung der Masse
Kräfte (Bosonen)
Gravitation
Graviton (?)
Elektro-
Magnetismus
Photon
Schwache
Kraft
W/Z-Boson
Starke Kraft
8 Gluonen
Masse 0 Masse 0Masse 0
80.4 GeV
91.2 GeV
Higgs-Mechanismus
•Alle Teilchen sind masselos
•Alle Teilchen erscheinen massebehaftet, durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld
Kräfte: Reichweite und Masse
Oberfläche ~ r2
Dichte der Feldquanten ~ ----
Kraft ~ ----
r2
r2
1
1
bei masselosen Feldquanten
Coulomb-GesetzGravitationsgesetz
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Uminterpretation
Massive Bosonen in der Teilchenphysik
Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g2 v2
Massive Bosonen in der Teilchenphysik
Teilchen miteffektiver Masse
Uminterpretation
Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung
Das Higgs-Boson erscheint selbst
Das Hintergrundfeld
Oszillator - Potential
keine Feldquanten im Vakuumkeine Wechselwirkung der Quanten
Das Hintergrundfeld
Oszillator - Potential
keine Feldquanten im Vakuumkeine Wechselwirkung der Quanten
Higgs – Potential
SelbstwechselwirkungFeldquanten erfüllen das Vakuum
Vier Fragen:
Existiert ein Higgs-Feld ?
Erfüllt es den ganzen Raum ?
Erzeugt es die Masse der Bosonen ?
Erzeugt es auch die Fermion-Massen ?
Zwei starke Partner :
Higgs EntdeckungStudium desHiggs-Mechanismus
bei LHCbei TESLA
Higgs Studien bei TESLA
MH
H
gHVV
gHff
V()
JPC
Forschung mit dem Röntgenlaser
Strukturunter-suchungen
Atome, Moleküle, Cluster z.B. Mehrfachionisationen
Plasmaphysik Erzeugung und Spektroskopie
Festkörperphysik Phasenübergänge Struktur von Flüssigkeiten
Oberflächen und Grenzflächen Dynamische Prozesse
Materialwissenschaften Hohe Durchdringungskraft Nanostrukturen
Chemie Reaktionsdynamik
Biomedizin Atomare Struktur biol. Proben
Nichtlineare Prozesse
Forschung mit dem Röntgenlaser
Strukturunter-suchungen
Atome, Moleküle, Cluster z.B. Mehrfachionisationen
Plasmaphysik Erzeugung und Spektroskopie
Festkörperphysik Phasenübergänge Struktur von Flüssigkeiten
Oberflächen und Grenzflächen Dynamische Prozesse
Materialwissenschaften Hohe Durchdringungskraft Nanostrukturen
Chemie Reaktionsdynamik
Biomedizin Atomare Struktur biol. Proben
Nichtlineare Prozesse
Freie – Elektronen - Laser
rad = ------- (1 + K2)U
2 2
UndulatorP ~ Ne
Freie – Elektronen - Laser
rad = ------- (1 + K2)U
2 2
Röntgenlaser
P ~ Ne2Kohärenz !
Self-Amplification ofSpontaneousEmission
Freie – Elektronen - Laser
rad = ------- (1 + K2)U
2 2
Röntgenlaser
P ~ Ne2Kohärenz !
Self-Amplification ofSpontaneousEmission
Simulation
TTF - FEL
TTF - FEL
TESLA - FEL
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
Laserparameter :
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
TESLA - FEL
Laserparameter :
Zeitauflösung thermische Bewegungen
Atomare Ortsauflösung
Hohe Intensität
TESLA - FEL
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
Laserparameter :
TESLA - FEL
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
Laserparameter :
Bsp. 1: Zeitaufgelöste chemische Reaktionen
Relaxation von C9N2H10
Struktur mit Synchro-tronstrahlung bestimmt
Organischer Feststoff Photochemie
•UV-Absorption in Blütenblättern•Laserfarbstoff•Optoelektronik: Schalter/LEDs•Medizin: Flureszensstandard
Optische Pump-and-Probe Exp. EnergieniveausX-FEL Pump-and-Probe Exp. Strukturelle Veränderung
h
Bsp 2: Strukturanalyse von Biomolekülen
Ein Ribosom koppelt an die RNA
Röntgenbeugung mit Synchro-tronstrahlung (HASYLAB)
Mit Synchrotron-strahlung möglich, aber …
•Nur an kristallisierten Proben•Strahlenschädigung der Proben•Verbesserung der Auflösung
Röntgenlaser
Strukturanalyse an Einzelmolekülen
RUBISCO (Enzym, CO2 Aufnahme)
Elektornendichteaus der PDB
Simuliertes InterferenzmusterEinzelmoleküle !
Rekonstruierte Struktur (3-D)
Coulombexplosion Lysozym Simulation
Status: Empfehlungen
HEPAP-Panel / USA
Komitee für Synchrotronstrahlung
We recommend that the highest priority of the U.S. program be a high-energy, high-luminosity, electron-positron linear collider, wherever it is built in the world. This facility is the major step in the field and should be designed, built and operated as a fully international effort.
Das KFS empfiehlt daher mit größtem Nachdruck die Realisierung der beiden komple-mentären Projektvorschläge, des X-FEL bei DESY in Hamburg …. und des BESSY-FEL in Berlin im VUV- und weichen Röntgenbereich, ….
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
Kosten :
Kosten :
Beschleuniger
3136 Mio. Є
Röntgenlaser 531 Mio. Є
HEP-Experiment
160-280 Mio. Є
3887 Mio. Є
Summe
Zeitplan :
Seit 1992 Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bei DESY (TTF)
23.2.2001 Technical Design Report
seit Mai 2001 Begutachtung durch den Wissenschaftsrat
2003 Grundsatzentscheidung durch die Bundesregierung und die beteiligten Länder
2012 Inbetriebnahme ?
Hoffentlich bald :
Danke ….