Der Elektron-Positron Linearcollider TESLA

1. Der Elektron-Positron LinearcolliderTESLA Klaus Desch Uni Hamburg 22. November 2002 Symposium: Teilchenphysik in Deutschland Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

2. Überblick • Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory • Ziele und Anforderungen • Das TESLA-Projekt: Beschleuniger + Detektor • Das Physikpotenzial • Zusammenfassung und Schlussfolgerung Symposium: Teilchenphysik in Deutschland Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

3. Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory • Zwei Strategien zur Erforschung der Struktur der Materie: • Erhöhung der Energie • Präzise Messungen Lepton -Collider sind ideal für genaueste Messungen: • punktförmige Teilchen • nur elektro-schwache Wechselwirkung im Anfangszustand • vollständige Rekonstruktion der Ereignisse Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

4. Hadron- und Leptoncollider: eine Erfolgsstory Tevatron (1.8 TeV) und LEP (90-200 GeV) haben sich ideal ergänzt a Etablierung des Standardmodells Beispiel: top-Quark Tevatron: Entdeckung LEP+Tevatron: Vorhersage der Higgs-Masse im SM LEP+SLD: Massenvorhersage durch Präzision a Durch die Ergebnisse von LEP/SLD und Tevatron sind wir jetzt in der Lage den nächsten großen Schritt zu gehen! Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

5. Der nächste Schritt • LHC (pp, 14 TeV) • Ziele: a 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 • g Vereinigung der Kräfte • g Gravitation Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

6. Anforderungen an einen Linearcollider • Energie: mindestens • ausbaubar bis • Luminosität: Reaktionsraten typisch • benötigt tausendfache LEP-Luminosität! • Variable Schwerpunktsenergie Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

7. Realisierung: TESLA • Linearcollider • Phase 1: 500 GeV • Phase 2: 800++ GeV • Luminosität: 300 – 500 / Jahr • Polarisierte Strahlen • Optionen: gg, eg, ,ep (THERA), eN • Freier Elektronen Laser im Röntgenbereich Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

8. Warum linear? “LEP 500” würde benötigen: Umfang 200 km 12 GeV Energieverlust pro Umlauf Kosten Kreisbeschleuniger Kosten Linearbeschleuinger Länge von TESLA (500-800 GeV) ~ Länge von LEP (200 GeV)! Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

9. Warum supraleitend? • Luminosität! • effiziente Energienutzung (kleine Verluste in Resonatoren) • Betrieb bei kleiner Frequenz (1.4 GHz) • a Stabilität (Toleranzen) • a 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/m TESLA(30km): 23 MV/m für 500 GeV 35 MV/m für 800 GeV Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

10. Resonatorentwicklung Internationale TESLA-Kollaboration: Niob-Resonatoren Testbeschleuniger: TESLA Test Facility (TTF) Bearbeitung unter Reinraum-Bedingungen Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

11. Resonatorentwicklung Module mit industriell gefertigten Resonatoren erreichen routinemäßig >23 MV/m (TESLA 500) Erste neun-zellige Prototypen mit verbesserter Oberflächenbehandlung erreichen 35 MV/m (TESLA 800) Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

12. Kältemodul Strahl Resonatoren Beschleuniger Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

13. Detektor Detektor optimiert für Präzisionsphysik Rekonstruktion des gesamten Endzustands a Minimierung der systematischen Fehler! Entwicklung neuer Technologien Anforderungen häufig bestimmt durch Higgs-Präzisions-Physik Moderater Untergrund: Detektordesign bestimmt durch hohe Auflösung, nicht Strahlenhärte Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

14. 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 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

15. Physikpotenzial (Highlights) • Higgs-Bosonen • Supersymmetrie • Struktur der Raumzeit Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

16. Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen • Entdeckung und erste Messungen am LHC • TESLA: • Higgs-Mechanismus etablieren als den Mechanismus der • verantwortlich ist für Masse der Elementarteilchen und • Brechung der elektro-schwachen Symmetrie • Ist es ein Higgs-Boson ? • Ist es verantwortlich für Masse ? • Ist spontane Symmetriebrechung die Ursache? Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

17. Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen “sehen ohne hinzusehen”: Zerfallsunabhängiger Nachweis 100000 Higgs-Bosonen/1-2 Jahren Fast untergrundfrei! • Rückstoß-Masse in • Ereignissen • (Energieerhaltung!) Ds ~ 3% Modellunabhängige Messung Dm ~ 50 MeV Massenpräzision im Subpromille-Bereich: Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

18. Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Higgs-Quantenzahlen: Spin aus Schwellenmessung • CP Quantenzahlen aus • Winkelverteilungen von • Z und H • Polarisationsanalyse • von tau-Leptonen aus • Higgs-Zerfällen Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

19. Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Higgs-Feld ist verantwortlich für Teilchenmassen g Kopplungen müssen proportional zu den Massen sein! Entscheidender Test: Präzisionsanalyse der Higgs-Zerfälle: Konsequenz: Sensitivität auf neue Effekte, z.B. weitere schwere Higgs-Bosonen: Messungen auf dem Prozentniveau Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

20. Präzisionsphysik der Higgs-Bosonen Wird das Higgs-Feld im Vakuum durch spontane Symmetriebrechung erzeugt?? Entscheidender Test: Selbstwechselwirkung des Higgsfeldes? Benötigt höchste Luminosität Stellt höchste Detektoranforderungen Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

21. Kein Higgs-Boson – was dann? Quantenfeldtheorie mit massiven Austauschteilchen versagt bei hohen Energien: “wenn nichts passiert, muss etwas passieren!” a neue starke Wechselwirkung bei ~1.2 TeV Experimentelle Konsequenz: Starke Wechselwirkung in der Drei- und Vier-Boson Kopplungsstärke TESLA: Sensitivität auf Energie-Skala der neuen WW: Drei-Boson-Kopplung: ~ 8 TeV Vier-Boson-Kopplung: ~ 3 TeV Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

22. Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmetrie Typisches SUSY-Teilchen-Spektrum: S-Quarks Neutralinos+ Charginos S-Leptonen Higgs-Bosonen gut messbar bei LHC präzise Spektroskopie bei TESLA! Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

23. Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmetrie Beispiel: SUSY-Partner des Myons: Beste Massenbestimmung der SUSY-Teilchen an der Produktions-Schwelle (Promille) Fast untergrundfrei, große Raten: Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

24. Der Weg zur großen Vereinheitlichung:Supersymmterie Konsequenz der Präzision: Extrapolation der gemessenen Massenparameter (TESLA+LHC) Über viele Größenordungen in der Energieskala a Überprüfung von Hypothesen für Physik in der Nähe der Planck-Skala! a Vereinheitlichung der Kräfte? a Bestimmung effektiver String-Parameter Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

25. Struktur der Raum-Zeit Wenn es zusätzliche große Raumdimensionen gibt, ist TESLA sensitiv auf Prozesse der Quanten-Gravitation! • Bestimmung der • Anzahl der neuen • Dimensionen und der • fundamentalen • Planck-Skala • Messung des • Graviton-Spins = 2 Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

26. 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! Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002

27. SM-Prozesse mit höchster Präzision Top-Quark als schwerstes Quark spielt vermutlich Schlüsselrolle im Verständnis der Rolle der drei Fermion-Familien • 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 • TESLA: • Genaue Massen-Bestimmung • (100 MeV) • Untersuchung seiner • Eigenschaften Klaus Desch, Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA, 22/11/2002