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Das TESLA ProjektMarkus Schumacher, Universität Bonn

Herbstschule Maria Laach 2003

Physik

DetektorBeschleuniger

Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 2

Inhalt der Vorlesungen

Ein neuer e+e- Beschleuniger : warum ?

Der TESLA Beschleuniger: Technologiewahl und grundlegendes Design

Der Detektor :Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen

Das Physikpotenzial: Higgs, SUSY, zusätzliche Raumdimensionen, …


1. Ein neuer e+e-Beschleuniger:

warum ?


Status der Teilchenphysik heute

•ZHH

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 !

„Particle Physics today is in an excellentyet curious state“ (TESLA TDR)


Einige der grundlegenden Fragen

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

Manche Antworten auf diese Fragen mit neuen Beschleunigern:

1. Hohe Energien und 2. Präzise Messungen


e+e- Beschleuniger und pp Beschleuniger

Kollision punktförmiger Teilchen Kollision zusammengesetzter Teilchenmit 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 Prozessesdes Anfangszustandes sind nicht gut bekannt

rein hadronische Endzustände rein hadronische Endzuständeselektier- u. rekonstruierbar schwierig zu “triggern” u. selektieren

geeignet für Entdeckungen und am Besten geeignet für EntdeckungenHochpräzisionsmessungen (energy frontier) und einige, erste

Präzisionsmessungen

Lepton und Hadron Beschleuniger sind komplementär!


Hadron- und Leptonbeschleuniger

Etablierung des Standardmodells

Beispiel: top-Quark

LEP+SLD: Massenvorhersage durchPräzision

LEP+Tevatron:Vorhersage derHiggs-Masse im SM

Tevatron:Entdeckung

Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wirjetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen!


Livingston Plot: “Moving off the Line!”

TESLANur Hadron- und Leptonbeschleunigergemeinsam können uns ein komplettes und präzises Bild von der mikroskopischen Welt liefern !


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 =


Welche Luminosität: N = Lσ ?

Physik:• so viel wie möglich, σ ~ 1/ Ecm L ~ Ecm• Präzisionsmessung mit Fehler O(1%) >10000 Ereignisse• Beispiel: SM-Higgs Produktion ~20fb brauchen 500 fb-1

22

<5 Jahre = <500 Tage

Pro Tag >1 fb-1 oder

L >1 x 1034 cm-2s-1

und manchmal ist auch deutlich mehr erwünscht


2. Tera Electron Volt EnergySuperconductingLinear Accelerator

Technologiewahl und Design


Warum linear ?

B 2222

2BECceP γγ π

=

Energieverlust pro Umlauf(mittlerer Ablenkradius ρ)

ρ=∆ γ

4

/EC

revE

Energieverlust muss durch RF-System ersetzt werden !


Kostenskalierung beim Ringbeschleuniger

• Lineare Kosten: (Tunnel, Magnete, etc.)$lin ∝ ρ

• RF Kosten:$RF ∝ ∆E ∝ E4/ρ

• Optimum, wenn$lin = $RF

optimierte Kosten ($lin+$RF) Skalieren mit E2 (bzw. ρ)


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 !?


Ausweg: Linearbeschleuniger

Keine Ablenkung keine Synchrotronstrahlung aber viel RF!

e+ e-

10 km Note: for LC, $tot ∝ E

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)

Zweite Kenngrösse: L ≥ 1034 cm-2 s-1


Kurze Geschichte der Linearbeschleuniger

A Possible Apparatus for Electron-Clashing Experiments (*).

M. TignerLaboratory 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.”

schon damals:supraleitend vorgeschlagen

Einwand:Kosten, kleiner Gradient

1965

15 Jahre F&E-Arbeit für einen LinearbeschleunigerSLC (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-)


Luminosität

Dyx

repb HfNn

L ×= **

2

4 σπσ

Strahl-Strahl-WechselwirkungErhöhung um 1.5 2 durch“pinch effect”

Teilchenim Paket

Anzahl der Paketeim “bunch train”

Wiederholrate der“bunch trains”

Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt (IP)


e+e- Beschleuniger: Parametervergleich

Strahlquerschnitt ∆t(Bunch)[ns] L[1034cm-2s-1]

Stanford linear collider

Final Focus Test Beam (SLAC)

LEP: σxσy ≈ 130×6 µm2 22000 0.006

8.3x106 0.0003

337 3.4


Luminosität

( ) Dyx

brepcmcm

HNNnfEE

L ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= **

14

1σσπ

PStrahl

Dyxcm

RF HNEPL ×⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛σ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ηπ

= **

141

Effizienz

Beamstrahlung (Energieverlust δE/E)


Beamstrahlung

e+

e−γγ

γ

Abstrahlung harterPhotonen imstarken el. Feld= Beamstrahlung

2

* *cm

BSz x y

EE NE

δσ σ σ

⎛ ⎞∆= ∝ ⎜ ⎟⎜ ⎟+⎝ ⎠

Energieverschmierung+Untergrund in DetektorGrenze: δBS ~ einige %

Idee: flache Strahlen (σy<<σx ) minimiere Beamstrahlungdennoch kleines σyσx hohe Luminosität


Luminosität

IP Fokusierung & Strahlemittanz

( )1

23

2 *

1RFBS z D

ycm

PL HEη δ σ

σ⎛ ⎞⎛ ⎞

∝ ×⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

yyy εβσ ** =γ

βε=σ

** yyy

cm

yyy E

** βε∝σ

Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : ηRF

Hohe RF-Leistung (Klystron)Kleiner vertikaler Strahlquerschnitt: σ,y

Grosse Paketlänge σz (vorläufig)


Grenze für Fokussierungtiefe β*

- 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

-2000 -1000 0 1000 2000 3000

-40

-20

0

20

40

IP (s = 0)

y

s

)0(,)( **

2* =β=β

β+β=β sss

σz

β* = “Tiefe des Fokus”

Vernünftige untereGrenze für β* ist die Paketlänge σz,, sonstLuminositätsverlust

Setze β* = σz


Luminosität: Finale Gleichung

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

εδ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ η∝

y

BS

cm

RF

EPL

Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : ηRF

Hohe RF-Leistung (Klystrons)Kleine vertikale Strahlemittanz: εn,y

Starke Fokusierung am IP (kleines βy kleines σz)

Für gegebene Schwerpunktsenergie, BeamstrahlungδBS und Primärleistung


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


Effizienz des Transfers: Primärleistung Strahl

Kenngrößen für Kavitäten:

Spezifische Shuntimpedanz Rs

Rs =

Güte Q: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

ηRF = 17% (supraleitend, TESLA, inkl. Kühlleistung)= 6 bis 8 % (normalleitend, NLC)


“Wake”-Felder , Schleppwellenfelder

∆tb

Longitudinale Wl~ f2

Energieverschmierung

TESLA C-band X-band10−6

10−5

10−4

10−3

CLIC

Wt/GradientTransversale Wt~ f3

Emittanzvergrößerung


“Wake”-Felder, Ausrichtungstoleranzen

VerschobeneKavität δy

“Banana”

Emittanzanstieg:∆ε=δy2 (Wt Neσz)2β/G

~ Frequenz6

Toleranzen: δy ~ 1/ (Wt Neσz) (G/β)1/2

Kompensation für normalleitende Kavitäten durch

stärkere Fokussierung β, höheren Gradienten G, kleinere Paketladung Ne

Dennoch: Genauigkeitsanforderungen NLC = 100xTESLA


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 schnelleRückkopplungskorrektur 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


Der Gradientgrundlegende Grenze bei 55MV/m

für größere Felder wird B> kritisches B-Feld für Supraleitungsupraleitende 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)

λ/2 Supraleitende 9-zellige Niobkavität

~1m


Die TESLA Die TESLA KollaborationKollaboration

1. Workshop 1990 Cornell Gründung: 1992 am DESY

Ziel: „proof of principle“ für Supraleitenden Linearbeschleuniger

Zur Zeit: 12 Nationen, 49 Institute


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)

Die Kavitäten werden in Ultrareinräumen vorbereitetund zusammengebaut


Der Gradient

Gradienten über 35 MV/m (Anforderung für 800 GeV) erreichtnach verbesserter Oberflächenbehandlung (“electro-polishing”):

etching - “buffered chemical polish“ electro-polishing

200 µm 200 µm

BCP EP


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


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


Linearbeschleuiger = Linac + viel mehr!

Supraleitender Linac: effiziente Beschleunigungmit geringem Emittanzanstieg

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 mitkleiner Emittanz und kleiner Strahlquerschnitt am IP


Überlick über TESLA

Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV

Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s 950 µs 199 ms 950 µs

2820 bunches

Weitere Optionen

γγ, eγ, e-e-,

ep (THERA), eN

Zeit zw. Kollisionen: 337 ns


Elektronen-Quelle

120 kV

electrons

laser photons

GaAscathode

λ = 840 nm

20 mm

Laser auf GaAs-Kathode

Test facility at DESY/Zeuthen: PITZ

kleine transversale Emittanzgroße Ladung pro Paket, kleine Bunch-LängenPolarisierte Elektronen (Ziel 80% am IP)


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%)!


DämpfungsringeEmittanzen aus Elektronen- und Positronenquelle zu groß ! Ziel γεy = 3×10−8 m = Reduzierung um Faktor 10000

Lange Pulse: 950ms×c=285km! Komprimiere Bunch Train auf 18km

δpδp

γdipole RF cavity Energieverlust durch

Abstrahlung + Nachbeschleunigung

“dog-bone” Design: 90% des Umfangs” im Linac-Tunnel


“Beam Delivery System”

σy = 5 nmσy = 5 nmFokussierung: ×1/600Fokussierung: ×1/600

Kollimationssystem

Final Focus System

σy = 3 µmσy = 3 µm


Stabilisierung der Luminosität

Genauigkeit der Strahlführung: Versatz am IP < 0.1 σy=0.5nm Winkel < 1.2 µrad

Störung durch z.B. Erdvibrationen Strahlgesteuerte Rückkopplung

Versatz bewirkt “Beam-Beam-Kick”

Messung durch BeamPositionMonitor

Kicker-Magnete korrigieren Orbit

Schnelle Korrektur innerhalb eines

Trains möglich (∆t(Bunch) = 337 ns)

Prinzip bei TTF getestet


Ein Standort

Ellerhoop (16.5 km)

Westerhorn (32.8 km)

DESYHERA


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!

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