Motivation - Konzepte - Neue Entwicklungen Achim Stahl DESY Zeuthen Aachen – 24. Nov. 2003

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