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Das TESLA Projekt

Das TESLA Projekt. Markus Schumacher, Universität Bonn Herbstschule Maria Laach 2003. Physik. Beschleuniger. Detektor. Inhalt der Vorlesungen. Ein neuer e+e- Beschleuniger : warum ? Der TESLA Beschleuniger: Technologiewahl und grundlegendes Design

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  1. Das TESLA Projekt Markus Schumacher, Universität Bonn Herbstschule Maria Laach 2003 Physik Beschleuniger Detektor

  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, … 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 • 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 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  6. e+e- Beschleuniger und pp Beschleuniger 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 Lepton und Hadron Beschleuniger sind komplementär! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  7. Hadron- und Leptonbeschleuniger a Etablierung des Standardmodells Beispiel: top-Quark LEP+SLD: Massenvorhersage durch Präzision LEP+Tevatron: Vorhersage der Higgs-Masse im SM Tevatron: Entdeckung a Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wir jetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zugehen! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  8. Livingston Plot: “Moving off the Line!” TESLA Nur 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. is “vernünftiger” erster Schritt Möglichkeit zur Energieerhöhung bis ~1 TeV nötig Multi-TeV Beschleuniger: Maschine der 2ten Generation 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 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  10. Welche Luminosität: N = Ls ? • Physik: • so viel wie möglich, s ~ 1/ Ecm L ~ Ecm • Präzisionsmessung mit Fehler O(1%) a >10000 Ereignisse • Beispiel: SM-Higgs Produktion ~20fb a brauchen 500 fb-1 2 2 • <5 Jahre = <500 Tage • Pro Tag >1 fb-1 oder L >1 x 1034 cm-2s-1 und manchmal ist auch deutlich mehr erwünscht 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 ? Energieverlust pro Umlauf (mittlerer Ablenkradius r) 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.) $linµr • RF Kosten: $RFµDEµE4/r • Optimum, wenn $lin= $RF optimierte Kosten ($lin+$RF) Skalieren mit E2 (bzw. r) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  14. Kostenskalierung von LEP  …. Ringbeschleuniger für ECM>LEP nicht mehr rentabel ! Kosten zu hoch ! Länge technisch schwierig !? Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  15. bang! 10 km Ausweg: Linearbeschleuniger Keine Ablenkungkeine Synchrotronstrahlung aber viel RF! e+ e- Note: for LC, $totµE 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 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. • 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-) schon damals: supraleitend vorgeschlagen Einwand: Kosten, kleiner Gradient 1965 “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.” Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  17. Luminosität Anzahl der Pakete im “bunch train” Teilchen im Paket Wiederholrate der “bunch trains” Strahl-Strahl-Wechselwirkung Erhöhung um 1.52 durch “pinch effect” Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt (IP) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  18. e+e- Beschleuniger: Parametervergleich Strahlquerschnitt Dt(Bunch)[ns] L[1034cm-2s-1] LEP: sxsy 1306 mm2 22000 0.006 8.3x106 0.0003 Stanford linear collider Final Focus Test Beam (SLAC) 337 3.4 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  19. PStrahl Effizienz Beamstrahlung (Energieverlust dE/E) Luminosität Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  20. g Abstrahlung harter Photonen im starken el. Feld= Beamstrahlung g g Beamstrahlung e- e+  Energieverschmierung+ Untergrund in Detektor  Grenze: dBS ~ einige % Idee: flache Strahlen (sy<<sx )  minimiere Beamstrahlung dennoch kleines sysx hohe Luminosität Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  21. Luminosität IP Fokusierung & Strahlemittanz • Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : hRF • Hohe RF-Leistung (Klystron) • Kleiner vertikaler Strahlquerschnitt: s,y • Grosse Paketlänge sz (vorläufig) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  22. Grenze für Fokussierungtiefe b* sz y b* = “Tiefe des Fokus” Vernünftige untere Grenze für b* ist die Paketlänge sz,, sonst Luminositätsverlust  Setze b* = sz s IP (s = 0) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  23. Luminosität: Finale Gleichung • Hohe Transfereffizienz von RF auf Strahl : hRF • Hohe RF-Leistung (Klystrons) • Kleine vertikale Strahlemittanz: en,y • Starke Fokusierung am IP (kleines by kleinessz) • Für gegebene Schwerpunktsenergie, Beamstrahlung dBS und Primärleistung Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  24. Technologieoptionen für die Beschleunigung Supraleitende Kavitäten (TESLA) RF-Frequenz f = 1.3 GHz Fundamentales Limit für heutige Niob-Kavitäten G < 55 MeV/m • Normalleitende Kavitäten (NLC/JLC) • RF-Frequenz f = 11.4 GHz • Maximal erreichbarer Feldgradient ~ f Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  25. Effizienz des Transfers: Primärleistung Strahl • Kenngrößen für Kavitäten: • Spezifische Shuntimpedanz Rs • Rs = • Güte Q: ~f1/2 (normalleitend) ~f-1 (supraleitend) (maximales Feld)2 Energieverlust pro Länge ~f-1/2 (normalleitend) ~f-2 (supraleitend) gespeicherte Energie Energieverlust pro Zyklus Q = Q = 1010 NiobQ = 104 Kupfer hRF =17% (supraleitend, TESLA, inkl. Kühlleistung) = 6 bis 8 % (normalleitend, NLC) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  26. “Wake”-Felder , Schleppwellenfelder Longitudinale Wl~ f2 Energieverschmierung Wt/Gradient Transversale Wt~ f3 Emittanzvergrößerung 10-3 10-4 10-5 10-6 TESLA C-band CLIC X-band Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  27. Verschobene Kavität dy “Banana” “Wake”-Felder, Ausrichtungstoleranzen Emittanzanstieg:De=dy2 (Wt Nesz)2b/G ~ Frequenz6 Toleranzen:dy ~ 1/ (Wt Nesz) (G/b)1/2 Kompensation für normalleitende Kavitäten durch stärkere Fokussierung b, höheren Gradienten G, kleinere Paketladung Ne 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 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  29. 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: • Vergrößerung des Gradienten (um Faktor 4 bis 5) • Reduzierung der Kosten (um Faktor 4) l/2 • Supraleitende 9-zellige Niobkavität ~1m Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  30. Die TESLA Kollaboration 1. Workshop 1990 Cornell Gründung: 1992 am DESY Ziel: „proof of principle“ für Supraleitenden Linearbeschleuniger Zur Zeit: 12 Nationen, 49 Institute Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  31. 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 vorbereitet und zusammengebaut Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  32. 200 m 200 m BCP EP etching - “buffered chemical polish“ electro-polishing Der Gradient Gradienten über 35 MV/m (Anforderung für 800 GeV) erreicht nach verbesserter Oberflächenbehandlung (“electro-polishing”): Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  33. TESLA 500 – 800 design Erreichte Gradienten durch TESLA F&E 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. ~16m 12 9-zellige Niob Kavitäten = 1 Kryostatmodul (1.8 Kelvin) TESLA Linac und TESLA Test Facilty TTF • TESLA: ein Linac ~ 10 000 Kavitäten, Länge 14.4km TTF Stabiler TTF-Betrieb bei DESY für > 15000h (1997 - 2003) Test von allen System-komponenten für den Linac Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  35. Linearbeschleuiger = Linac + viel mehr! • Supraleitender Linac: effiziente Beschleunigung mit geringem Emittanzanstieg • Erzeugung von Elektronen- und Positronenpaketen mit kleiner Emittanz und kleiner Strahlquerschnitt am IP Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  36. Überlick über TESLA Weitere Optionen gg, eg, e-e-, ep (THERA), eN Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s Zeit zw. Kollisionen: 337 ns Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  37. Elektronen-Quelle Laser auf GaAs-Kathode Test facility at DESY/Zeuthen: PITZ • kleine transversale Emittanz • große Ladung pro Paket, kleine Bunch-Längen • Polarisierte Elektronen (Ziel 80% am IP) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  38. Positronen-Quelle 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 gey = 3´10-8 m = Reduzierung um Faktor 10000 Energieverlust durch Abstrahlung + Nachbeschleunigung • Lange Pulse: 950msc=285km!  Komprimiere Bunch Train auf 18km “dog-bone” Design: 90% des Umfangs” im Linac-Tunnel Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  40. “Beam Delivery System” sy = 3 mm Fokussierung: 1/600 sy = 5 nm Final Focus System Kollimationssystem Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  41. Stabilisierung der Luminosität Genauigkeit der Strahlführung: Versatz am IP < 0.1 sy=0.5nm Winkel < 1.2 mrad 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 (Dt(Bunch) = 337 ns) Prinzip bei TTF getestet Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  42. HERA Westerhorn (32.8 km) Ein Standort Ellerhoop (16.5 km) DESY 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! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

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