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TESLA: Linearbeschleunigere e
Achim Stahl DESY Zeuthen
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TESLA: Linearbeschleunigere e
Achim Stahl DESY Zeuthen
Teilchenphysik
Strukturforschung
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TESLA Beschleunigeranlage
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33 km Tunnel5.2 m Ø
Experimentiergeländebei Ellerhoop
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Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
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Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
ca. 10-19 pro e pro Kollision
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Kreisbeschleuniger
Linearbeschleuniger(Speicherring)
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
ca. 10-19 pro e pro Kollision
Kreisbeschleuni- gung
Strahlungsverlust
E = --------- ----------4 E4
3 m4 R
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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 ?
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Teilchenbeschleunigung
Elektrostatischer Beschleuniger
Bis einige MeV
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Teilchenbeschleunigung
Mikrowellen-Beschleuniger
23.4 MeV / Meter 500 GeV35. MeV / Meter 800 GeV
} 10 km
![Page 12: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/12.jpg)
Teilchenbeschleunigung
Mögliche Verbesserungen :
Höhere Feldstärken
Längere Beschleunigungsstrecke
Grenze: Feldstärken an den OberflächenZusammenbruch der SupraleitungFeldemission von Elektronen
Grenze: Kosten
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Beschleunigungsmodule: supraleitend
Chemische Politur Elektropolitur
Extreme Anforderungen
ReinheitRauhigkeit
der Oberfläche
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Beschleunigungsgradienten
9-zellige ModuleProduktionsserie
Einzelne ZellePrototyp
Chemische Politur Elektropolitur
23.3 +/- 2.3 MV/m ca. 35 MV/m
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TTF: TESLA Test Facility
Aufbau eines Moduls Aus 8 9-Zellern
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TTF: TESLA Test Facility
Blick auf die Quelleentlang desBeschleunigers
22 MV/merreicht
![Page 17: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/17.jpg)
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
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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)
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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
![Page 20: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/20.jpg)
Higgs-Mechanismus
•Alle Teilchen sind masselos
•Alle Teilchen erscheinen massebehaftet, durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld
![Page 21: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/21.jpg)
Kräfte: Reichweite und Masse
Oberfläche ~ r2
Dichte der Feldquanten ~ ----
Kraft ~ ----
r2
r2
1
1
bei masselosen Feldquanten
Coulomb-GesetzGravitationsgesetz
![Page 22: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/22.jpg)
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
![Page 23: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/23.jpg)
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
![Page 24: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/24.jpg)
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
![Page 25: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/25.jpg)
Massive Photonen in der Supraleitung
Meißner – OchsenfeldEffekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter
Uminterpretation
![Page 26: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/26.jpg)
Massive Bosonen in der Teilchenphysik
Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g2 v2
![Page 27: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/27.jpg)
Massive Bosonen in der Teilchenphysik
Teilchen miteffektiver Masse
Uminterpretation
![Page 28: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/28.jpg)
Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung
Das Higgs-Boson erscheint selbst
![Page 29: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/29.jpg)
Das Hintergrundfeld
Oszillator - Potential
keine Feldquanten im Vakuumkeine Wechselwirkung der Quanten
![Page 30: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/30.jpg)
Das Hintergrundfeld
Oszillator - Potential
keine Feldquanten im Vakuumkeine Wechselwirkung der Quanten
Higgs – Potential
SelbstwechselwirkungFeldquanten erfüllen das Vakuum
![Page 31: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/31.jpg)
Vier Fragen:
Existiert ein Higgs-Feld ?
Erfüllt es den ganzen Raum ?
Erzeugt es die Masse der Bosonen ?
Erzeugt es auch die Fermion-Massen ?
![Page 32: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/32.jpg)
Zwei starke Partner :
Higgs EntdeckungStudium desHiggs-Mechanismus
bei LHCbei TESLA
![Page 33: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/33.jpg)
Higgs Studien bei TESLA
MH
H
gHVV
gHff
V()
JPC
![Page 34: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/36.jpg)
Freie – Elektronen - Laser
rad = ------- (1 + K2)U
2 2
UndulatorP ~ Ne
![Page 37: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/37.jpg)
Freie – Elektronen - Laser
rad = ------- (1 + K2)U
2 2
Röntgenlaser
P ~ Ne2Kohärenz !
Self-Amplification ofSpontaneousEmission
![Page 38: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/38.jpg)
Freie – Elektronen - Laser
rad = ------- (1 + K2)U
2 2
Röntgenlaser
P ~ Ne2Kohärenz !
Self-Amplification ofSpontaneousEmission
Simulation
![Page 39: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/39.jpg)
TTF - FEL
![Page 40: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/40.jpg)
TTF - FEL
![Page 41: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/41.jpg)
TESLA - FEL
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
Laserparameter :
![Page 42: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/43.jpg)
TESLA - FEL
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
Laserparameter :
![Page 44: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/44.jpg)
TESLA - FEL
Wellenlänge: 1-5 ÅStrahlquerschnitt: 100 mStrahldivergenz: 8 radPulsdauer: 100 fsBandbreite: 8 10-4
Pulsleistung: 37 GWPhotonen/Puls: 1.8 1012
Laserparameter :
![Page 45: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/45.jpg)
Bsp. 1: Zeitaufgelöste chemische Reaktionen
![Page 46: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/46.jpg)
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
![Page 47: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/47.jpg)
![Page 48: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/48.jpg)
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
![Page 49: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/49.jpg)
Strukturanalyse an Einzelmolekülen
RUBISCO (Enzym, CO2 Aufnahme)
Elektornendichteaus der PDB
Simuliertes InterferenzmusterEinzelmoleküle !
Rekonstruierte Struktur (3-D)
![Page 50: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/50.jpg)
![Page 51: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/51.jpg)
Coulombexplosion Lysozym Simulation
![Page 52: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/52.jpg)
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, ….
![Page 53: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/53.jpg)
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
![Page 54: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/54.jpg)
Kosten :
![Page 55: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/55.jpg)
Kosten :
Beschleuniger
3136 Mio. Є
Röntgenlaser 531 Mio. Є
HEP-Experiment
160-280 Mio. Є
3887 Mio. Є
Summe
![Page 56: TESLA : Linearbeschleuniger ee Achim Stahl DESY Zeuthen](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062303/55204d6849795902118bdd62/html5/thumbnails/56.jpg)
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 ?
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Hoffentlich bald :
Danke ….