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Das TESLA ProjektMarkus Schumacher, Universität
Bonn
Herbstschule Maria Laach 2003
Beschleuniger
Physik
Detektor
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 2
Ein neuer e+e- Beschleuniger : warum ?
Der TESLA Beschleuniger: Technologiewahl und grundlegendes Design
Der Detektor : Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen
Das Physikpotenzial: Higgs, SUSY, zusätzliche Raumdimensionen,
…
Inhalt der Vorlesungen
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 3
1. Ein neuer e+e-Beschleuniger:
warum ?
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 4
Status der Teilchenphysik heute
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 !
•ZHH
„Particle Physics today is in an excellent yet curious state“ (TESLA TDR)
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 5
Einige der grundlegenden Fragen
Manche Antworten auf diese Fragen mit neuen Beschleunigern:
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
1. Hohe Energien und 2. Präzise Messungen
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 6
e+e- Beschleuniger und pp Beschleuniger
Lepton und Hadron Beschleuniger sind komplementär!
Kollision punktförmiger Teilchen Kollision zusammengesetzter Teilchen mit 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 Prozesses des Anfangszustandes sind nicht gut bekannt
rein hadronische Endzustände rein hadronische Endzustände selektier- u. rekonstruierbar schwierig zu “triggern” u. selektieren
geeignet für Entdeckungen und am Besten geeignet für Entdeckungen Hochpräzisionsmessungen (energy frontier) und einige, erste
Präzisionsmessungen
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 7
Hadron- und Leptonbeschleuniger
Etablierung des Standardmodells
Beispiel: top-Quark
LEP+SLD: Massenvorhersage durch Präzision
Tevatron:Entdeckung
LEP+Tevatron:Vorhersage der Higgs-Masse im SM
Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wirjetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen!
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 8
Livingston Plot: “Moving off the Line!”
TESLANur Hadron- und Leptonbeschleuniger gemeinsam können uns ein komplettes und präzises Bild von der mikroskopischen Welt liefern !
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 9
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=
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 10
Welche Luminosität: N = L ?
Physik:• so viel wie möglich, ~ 1/ Ecm L ~ Ecm
• Präzisionsmessung mit Fehler O(1%) >10000 Ereignisse• Beispiel: SM-Higgs Produktion ~20fb brauchen 500 fb-1
<5 Jahre = <500 Tage
Pro Tag >1 fb-1 oder
L >1 x 1034 cm-2s-1
und manchmal ist auch
deutlich mehr erwünscht
22
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 11
2. Tera Electron Volt Energy
Superconducting Linear
Accelerator Technologiewahl
und Design
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 12
Warum linear ?
B 2222
2BEC
ceP
4
/EC
revE
Energieverlust pro Umlauf (mittlerer Ablenkradius )
Energieverlust muss durch RF-System ersetzt werden !
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 13
Kostenskalierung beim Ringbeschleuniger
• Lineare Kosten: (Tunnel, Magnete, etc.)$lin
• RF Kosten:$RF E E4/
• Optimum, wenn$lin = $RF
optimierte Kosten ($lin+$RF) Skalieren mit E2 (bzw.
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 14
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 !?
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 15
Ausweg: Linearbeschleuniger
e+ e-
10 km
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)
Note: for LC, $tot E
Keine Ablenkungkeine Synchrotronstrahlung aber viel RF!
Zweite Kenngrösse: L 1034 cm-2 s-1
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 16
Kurze Geschichte der Linearbeschleuniger
A Possible Apparatus for Electron-Clashing Experiments (*).
M. Tigner
Laboratory 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.”
15 Jahre F&E-Arbeit für einen Linearbeschleuniger SLC (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-)
1965
schon damals: supraleitend vorgeschlagen
Einwand: Kosten, kleiner Gradient
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 17
Luminosität
Dyx
repb HfNn
L **
2
4 D
yx
repb HfNn
L **
2
4
Strahl-Strahl-Wechselwirkung Erhöhung um 1.52 durch “pinch effect”
Teilchen im Paket
Anzahl der Pakete im “bunch train”
Wiederholrate der “bunch trains”
Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt (IP)
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e+e- Beschleuniger: Parametervergleich
Stanford linear collider
Final Focus Test Beam (SLAC)
LEP: xy 1306 m2
337 3.4
8.3x106 0.0003
22000 0.006
Strahlquerschnitt t(Bunch)[ns] L[1034cm-2s-1]
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 19
Dyx
brepcmcm
HN
NnfEE
L
**
1
4
1
D
yxbrepcm
cm
HN
NnfEE
L
**
1
4
1
PStrahl
Luminosität
Dyxcm
RF HN
E
PL
**
1
4
1D
yxcm
RF HN
E
PL
**
1
4
1
Effizienz
Beamstrahlung (Energieverlust E/E)
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 20
e
e
Abstrahlung harter Photonen im starken el. Feld= Beamstrahlung
2
* *cm
BSz x y
EE N
E
2
* *cm
BSz x y
EE N
E
Energieverschmierung+ Untergrund in Detektor Grenze: BS ~ einige %
Beamstrahlung
Idee: flache Strahlen (y<<x ) minimiere Beamstrahlung dennoch kleines yx hohe Luminosität
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 21
Luminosität
1
2
32 *
1RFBS z D
ycm
PL H
E
12
32 *
1RFBS z D
ycm
PL H
E
IP Fokusierung & Strahlemittanz yyy **
*
* yyy
** yyy
cm
yyy E
**
cm
yyy E
**
Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : RF
Hohe RF-Leistung (Klystron) Kleiner vertikaler Strahlquerschnitt: ,y
Grosse Paketlänge z (vorläufig)
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 22
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
Grenze für Fokussierungtiefe *
-2000 -1000 0 1000 2000 3000
-40
-20
0
20
40
IP (s = 0)
y
s
)0(,)( **
2*
s
ss )0(,)( *
*
2*
s
ss
z
* = “Tiefe des Fokus”
Vernünftige untere Grenze für * ist die Paketlänge z,, sonst Luminositätsverlust
Setze * = z
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21
y
BS
cm
RF
E
PL
21
y
BS
cm
RF
E
PL
Luminosität: Finale Gleichung
Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : RF
Hohe RF-Leistung (Klystrons) Kleine vertikale Strahlemittanz: n,y
Starke Fokusierung am IP (kleines y kleines z)
Für gegebene Schwerpunktsenergie, Beamstrahlung BS und Primärleistung
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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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Effizienz des Transfers: Primärleistung Strahl
Kenngrößen für Kavitäten:
Spezifische Shuntimpedanz Rs
Rs =
Güte Q:
RF = 17% (supraleitend, TESLA, inkl. Kühlleistung)
= 6 bis 8 % (normalleitend, NLC)
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
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tb
“Wake”-Felder , Schleppwellenfelder
TESLA C-band X-band106
105
104
103
CLIC
Longitudinale Wl~ f2
Energieverschmierung
Transversale Wt~ f3
Emittanzvergrößerung
Wt/Gradient
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“Wake”-Felder, Ausrichtungstoleranzen
Verschobene Kavität y
“Banana”
Toleranzen: y ~ 1/ (Wt Nez) (G/)1/2
Kompensation für normalleitende Kavitäten durch
stärkere Fokussierung , höheren Gradienten G, kleinere Paketladung Ne
Emittanzanstieg: =y2 (Wt Nez)2/G
~ Frequenz6
Dennoch: Genauigkeitsanforderungen NLC = 100xTESLA
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 schnelle Rückkopplungskorrektur 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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Der Gradient grundlegende Grenze bei 55MV/m für größere Felder wird B> kritisches B-Feld für Supraleitung supraleitende 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)
Supraleitende 9-zellige Niobkavität
~1m
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 30
Die TESLA KollaborationDie TESLA Kollaboration
Zur Zeit: 12 Nationen, 49 Institute
1. Workshop 1990 Cornell Gründung: 1992 am DESY
Ziel: „proof of principle“ für Supraleitenden Linearbeschleuniger
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 31
Die Kavitäten werden in Ultrareinräumen vorbereitet und zusammengebaut
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)
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 m 200 m
BCP EP
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 33
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
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
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 35
Linearbeschleuiger = Linac + viel mehr!
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 mit kleiner Emittanz und kleiner Strahlquerschnitt am IP
Supraleitender Linac: effiziente Beschleunigung mit geringem Emittanzanstieg
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
, e, e-e-,
ep (THERA), eN
Zeit zw. Kollisionen: 337 ns
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 37
120 kV
electrons
laser photons
G aAscathode
= 840 nm
20 m m
Elektronen-Quelle
kleine transversale Emittanz große Ladung pro Paket, kleine Bunch-Längen Polarisierte Elektronen (Ziel 80% am IP)
Laser auf GaAs-Kathode
Test facility at DESY/Zeuthen: PITZ
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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%)!
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 39
Dämpfungsringe
Emittanzen aus Elektronen- und Positronenquelle zu groß ! Ziel y = 3108 m = Reduzierung um Faktor 10000
Lange Pulse: 950msc=285km! Komprimiere Bunch Train auf 18km
p
p
dipole RF cavity
“dog-bone” Design: 90% des Umfangs” im Linac-Tunnel
Energieverlust durch Abstrahlung + Nachbeschleunigung
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 40
“Beam Delivery System”
y = 5 nmy = 5 nmFokussierung: 1/600Fokussierung: 1/600
Kollimationssystem
Final Focus System
y = 3 my = 3 m
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 41
Stabilisierung der Luminosität
Versatz bewirkt “Beam-Beam-Kick”
Messung durch BeamPositionMonitor
Kicker-Magnete korrigieren Orbit
Schnelle Korrektur innerhalb eines
Trains möglich (t(Bunch) = 337 ns)
Genauigkeit der Strahlführung: Versatz am IP < 0.1 y=0.5nm Winkel < 1.2 rad
Störung durch z.B. Erdvibrationen Strahlgesteuerte Rückkopplung
Prinzip bei TTF getestet
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 42
Ein Standort
Ellerhoop (16.5 km)
Westerhorn (32.8 km)
DESY
HERA
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!