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 ….