1Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Der Elektron-Positron LinearcolliderTESLA
Klaus DeschUni Hamburg22. November 2002
Symposium: Teilchenphysik in Deutschland
2Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Überblick
Symposium: Teilchenphysik in Deutschland
• Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory
• Ziele und Anforderungen
• Das TESLA-Projekt: Beschleuniger + Detektor
• Das Physikpotenzial
• Zusammenfassung und Schlussfolgerung
3Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory
Zwei Strategien zur Erforschung der Struktur der Materie:
1. Erhöhung der Energie2. Präzise Messungen
Lepton -Collider sind ideal für genaueste Messungen:+(e e )
• punktförmige Teilchen
• nur elektro-schwache Wechselwirkung im Anfangszustand
• vollständige Rekonstruktion der Ereignisse
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Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory
Tevatron (1.8 TeV) und LEP (90-200 GeV) haben sich ideal ergänzt
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!
5Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Der nächste Schritt
LHC (pp, 14 TeV) Ziele: K. Jakobs
und
Linearcollider 90 - ~1000 GeV
Ziele:
• Präzises Studium der Brechung der elektro-schwachen Symmetrie (Higgs-Mechanismus) und der Phänomene im Bereich < 1 TeV
• Präzision I: Blick in 1-10 TeV Bereich
• Präzision II: Blick zu den höchsten Energien Vereinigung der Kräfte Gravitation
+(e e )
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Anforderungen an einen Linearcollider
• Energie: mindestens
ausbaubar bis
• Luminosität: Reaktionsraten typisch
benötigt tausendfache LEP-Luminosität!
• Variable Schwerpunktsenergie
top2m 400GeV
1TeV 2
CM1 / E
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Realisierung: TESLA
• Linearcollider• Phase 1: 500 GeV • Phase 2: 800++ GeV• Luminosität: 300 – 500 / Jahr• Polarisierte Strahlen• Optionen: , e, ,ep (THERA), eN• Freier Elektronen Laser im Röntgenbereich
+e e
-e e
-1fb
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Warum linear?
B4Strahl
2
EcP C
2 r
“LEP 500” würde benötigen:
Umfang 200 km
12 GeV Energieverlust pro Umlauf
Kosten Kreisbeschleuniger
Kosten Linearbeschleuinger
2CME
CME
Länge von TESLA (500-800 GeV) ~ Länge von LEP (200 GeV)!
9Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Warum supraleitend?
Dtb
Luminosität!
• effiziente Energienutzung (kleine Verluste in Resonatoren)• Betrieb bei kleiner Frequenz (1.4 GHz) Stabilität (Toleranzen) Hochfrequenzerzeugung einfacher
“Wake”-felder
Alternative:Warme Resonatoren (NLC,JLC)• E~f ?• Verluste• Toleranzen 1000 fach kleiner• HF schwierig
Herausforderung für TESLA:
Beschleunigungsgradient!LEP-Resonatoren: ~7 MV/mTESLA(30km): 23 MV/m für 500 GeV 35 MV/m für 800 GeV
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Resonatorentwicklung
Niob-Resonatoren
Bearbeitung unter Reinraum-Bedingungen
Testbeschleuniger:TESLA Test Facility (TTF)
Internationale TESLA-Kollaboration:
11Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Resonatorentwicklung
Module mit industriell gefertigtenResonatoren erreichen routinemäßig>23 MV/m (TESLA 500)
Erste neun-zellige Prototypenmit verbesserter Oberflächenbehandlungerreichen 35 MV/m (TESLA 800)
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Beschleuniger
Resonatoren
Strahl
Kältemodul
13Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Detektor
Detektor optimiertfür Präzisionsphysik
Rekonstruktion desgesamten Endzustands
Minimierung dersystematischen Fehler!
Entwicklung neuerTechnologien
Anforderungen häufigbestimmt durchHiggs-Präzisions-Physik
Moderater Untergrund: Detektordesign bestimmt durch hohe Auflösung, nicht Strahlenhärte
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Planung + Standort
• 2001: Technischer Design-Report (TDR)
• Vorschlag TESLA in einer internationalen Kollaboration zu bauen und zu betreiben
• Standortvorschlag: in Hamburg+Schleswig-Holstein (tangential zu HERA)
• Begutachtung durch Wissenschaftsrat
15Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Physikpotenzial (Highlights)
• Higgs-Bosonen
• Supersymmetrie
• Struktur der Raumzeit
16Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen
Entdeckung und erste Messungen am LHC
TESLA:
Higgs-Mechanismus etablieren als den Mechanismus derverantwortlich ist für Masse der Elementarteilchen undBrechung der elektro-schwachen Symmetrie
1. Ist es ein Higgs-Boson ?
2. Ist es verantwortlich für Masse ?
3. Ist spontane Symmetriebrechung die Ursache?
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Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen
“sehen ohne hinzusehen”:Zerfallsunabhängiger Nachweis
• Rückstoß-Masse in Ereignissen (Energieerhaltung!)
D ~ 3%ModellunabhängigeMessung
Dm ~ 50 MeV
Massenpräzision im Subpromille-Bereich:
Z
100000 Higgs-Bosonen/1-2 JahrenFast untergrundfrei!
18Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen
Higgs-Quantenzahlen:
Spin aus Schwellenmessung CP Quantenzahlen aus
- Winkelverteilungen von Z und H
- Polarisationsanalyse von tau-Leptonen aus Higgs-Zerfällen
19Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Präzisionsphysik der Higgs-BosonenHiggs-Feld ist verantwortlich für Teilchenmassen Kopplungen müssen proportional zu den Massen sein!
Entscheidender Test: Präzisionsanalyse der Higgs-Zerfälle:
Konsequenz: Sensitivität auf neue Effekte, z.B. weitereschwere Higgs-Bosonen:
Messungen auf dem Prozentniveau
20Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen
Wird das Higgs-Feld im Vakuum durch spontane Symmetriebrechung erzeugt??
Entscheidender Test:Selbstwechselwirkung des Higgsfeldes?
Benötigt höchste LuminositätStellt höchste Detektoranforderungen
20%D
21Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Kein Higgs-Boson – was dann?
Quantenfeldtheorie mit massiven Austauschteilchen versagt bei hohenEnergien:
neue starke Wechselwirkung bei ~1.2 TeV
“wenn nichts passiert, muss etwas passieren!”
Experimentelle Konsequenz: Starke Wechselwirkung in der Drei- und Vier-Boson Kopplungsstärke
TESLA: Sensitivität auf Energie-Skala der neuen WW:Drei-Boson-Kopplung: ~ 8 TeVVier-Boson-Kopplung: ~ 3 TeV
22Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmetrie
Typisches SUSY-Teilchen-Spektrum:
gut messbar bei LHC
präzise Spektroskopiebei TESLA!
Hig
gs-
Boso
nen
S-L
epto
nen
S-Q
uark
s
Neutr
alin
os+
Charg
inos
23Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmetrie
Beispiel: SUSY-Partner des Myons:
Fast untergrundfrei, große Raten:
Beste Massenbestimmung der SUSY-Teilchen an der Produktions-Schwelle (Promille)
24Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmterie
Konsequenz der Präzision:
Extrapolation der gemessenenMassenparameter (TESLA+LHC)Über viele Größenordungen in derEnergieskala
Überprüfung von Hypothesen für Physik in der Nähe der Planck-Skala!
Vereinheitlichung der Kräfte?
Bestimmung effektiver String-Parameter
25Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Struktur der Raum-Zeit
Wenn es zusätzliche große Raumdimensionen gibt, ist TESLAsensitiv auf Prozesse der Quanten-Gravitation!
• Bestimmung der Anzahl der neuen Dimensionen und der fundamentalen Planck-Skala
• Messung des Graviton-Spins = 2
26Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
Zusammenfassung + Schlussfolgerung
• LHC und Elektron-Positron-Linearcollider ergänzen sich ideal
• TESLA+LHC liefern den nächsten großen Schritt im Verständnis der fundamentalen Teilchen und Kräfte Zentrale Fragen: Higgs – Vereinheitlichung der Kräfte – Struktur der Raumzeit
• Hohe Präzision ist der Schlüssel, der einen Blick zu Energieskalen erlaubt, die zusammen mit der Kosmologie das Verständnis der Entstehung des Universums entscheidend beeinflussen können
TESLA: Linearcollider hat technologische Reife erreicht!
27Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002
SM-Prozesse mit höchster Präzision
Top-Quark als schwerstes Quark spielt vermutlich Schlüsselrolleim Verständnis der Rolle der drei Fermion-Familien
TESLA:• Genaue Massen-Bestimmung (100 MeV)• Untersuchung seiner Eigenschaften
• Paarproduktion von W-Bosonen Selbstkopplung der Eichbosonen W-Masse 6 MeV (Schwelle)
• Giga-Z (1000 x “LEP” in 3 Monaten) el.-schw. Mischungswinkel Faktor 10 besser als LEP