Erdgebundene Teilchenbeschleuniger

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1 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger Erdgebundene Teilchenbeschleuniger kurze Geschichte der Beschleunigerphysik Grundlagen der Teilchenbeschleuingung Collider Parameter Synchrotronstrahlung Beispiele hochenergetischer Beschleuniger Zukunftspläne und -ideen

2 Kurze Geschichte der Beschleunigerphysik Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger : R. Wideroe berichtet über ersten Betrieb eines Linearbeschleunigers (Ka und Na-Ionen) 1931: Van de Graaff konstruiert ersten Hochspannungsgenerator 1932: Lawrence und Livingston präsentieren ersten Protonen-Strahl vom 1.2 MeV Zyklotron 1939: Hansen, Varian und Varian erfinden Klystron 1941: Kerst und Serber stellen das erste funktionierende Betatron vor; E.O. Lawrence Touschek und Wideroe entwickeln das Prinzip von Ringbeschleunigern 1947 Alvarez entwickelt ersten Proton-Linearbeschleuniger 1950 Christofilos formuliert Konzept der Starken Fokussierung

3 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 3 Maxwell- Gleichungen F = q E + v B ( ) Lorentzkraft n.b.: Lorentzkraft bei zeitabhängigen Feldern ist keine konservative Kraft, i.e. r F d r s 0

4 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 4 Zyklotron Linearbeschleuniger

5 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 5 Kreisförmige Beschleuniger (Synchrotron) Vorteile: Magnetfeld nur lokal um Strahlführung (ökonomischer als Zyklotron) Mehrfachbenutzung der Beschleunigerstrecken Höhere effektive Schwerpunktsenergie im Collider -Modus Effektivere Ausnutzung der Teilchen (Speicherring) Nachteile: Energieverlust durch Bremsstrahlung (Synchrotronstrahlung)

6 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 6 Fixed Target versus Colliding Beams für Protonen (m p c 2 ~ 1 GeV): E cm = 2( γ +1)m p c 2 E cm = 2E = 2γm p c 2 E beam = 450 GeV > γ ~ 450

7 Funktionsteile von Kreisbeschleunigern: Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 7 Dipol (Kreisbahn) Kavität (Beschleunigung) Quadrupol (Fokussierung) Tunnel, Strahlröhre, Vakuumpumpen, Sextupol,

8 Strong Focussing Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 8 1 f = 1 f f 2 d f 1 f 2 Seitenansicht Ansicht von oben Zwei gekreutzte Quadrupole im Abstand d kleiner als deren doppelte Fokallänge wirken insgesamt fokussierend (in beiden Ebenen).

9 Collider Parameter Ereignis-Rate R: Luminosität L: R = L σ n L = f 1 n 2 4πσ x σ y σ: Wirkungsquerschnitt f: Kollisionsfrequenz n i : Anzahl Teilchen in Paket i σ x : horizontale Strahlgröße σ y : vertikale Strahlgröße Strahlgröße: transversale Emittanz ε (Strahlqualität) Amplitudenfunktion β (Strahloptik) ε = πσσ β = σ/σ σ: transversale Versetzung σ : Winkel bzgl. Strahlachse β : Wert der β-function am WW-Punkt. Luminosität L: L = f n 1 n 2 4 ε x β x * ε y β y * Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 9

10 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 10 Synchrotronstrahlung: Abstrahlungsleistung eines relativistischen Teilchens bei zentripetaler Beschleunigung: P = 1 6πε 0 e 2 a 2 a = v 2 /ρ c 3 γ 4 v: Teilchengeschwindigkeit ρ: Krümmungsradius Pro Umlauf abgestrahlte Energie: Elektron mit v c Proton mit v c W = E 4 ρ W = E 4 ρ [MeV 4 ] MeV [km] [TeV 4 ] [km] MeV

11 SLAC Linear Collider (SLC) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 11 e - bis 50 GeV; fixed-target Programme (bis 1980er) e - und e + für PEP-I Speicherring (E cm = 29 GeV; frühe 1980er e - und e + für SLC collider (E cm = M Z ~ 91 GeV; ) e - und e + für PEP-II Speicherring (E cm ~10 GeV; )

12 SLAC Linear Collider (SLC) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 12

13 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 13 Klystron electron beam dump wave guide to accelerator exitation of microwaves bunching cavities electron gun

14 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 14 Klystron eines Mikrowellenherdes Klystron-Gallerie des SLC

15 Beam Position Monitor Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 15 pick-up Elektroden in x- und y-richtung; relative Stärke der Signale ergibt 2-dimensionale Information über die Lage des Strahls.

16 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 16 hochenergetische Teilchenbeschleuniger: Collider start end date beam type max. beam energy (GeV) circumference or length (km) PETRA (DESY) e + e SLC (SLAC) e + e LEP (CERN) e + e TESLA ILC (??) (DESY) (???) - e + e 400 (?) L (cm -2 s -1 ) x x10 34 KEKB (KEK) e + e 8 x PEP-II (SLAC) e + e 9 x HERA (DESY) e p 30 x Spp S (CERN) pp TEVATRON (Fermilab) pp LHC (CERN) pp x x x

17 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 17 DESY / Hamburg PETRA: e + e Kollisionen HERA: e p Kollisionen

18 Der Large Hadron Collider am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN / Genf Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger CMS LHCb Alice ATLAS

19 Beschleunigersystem des CERN Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 19

20 LHC Tunnel Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 20

21 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 21

22 Fermilab Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 22

23 International Linear e+e- Collider Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger Ecm = TeV supraleitende Kavitäten aus purem Niobium ; 31.5 MV/m Länge ca. 31 Kilometer, plus 2 damping rings mit Durchmesser 6 km Kosten: 6.65 Mrd $ plus Mann-Jahre Estimate 7 years of construction for accelerator and experiments after formal approval

24 ILC: Präzision!! "#" $%! &'()! *+%&,-&! &',!./0&(*1,!.'2)(*)! 3,/)40,3,%&)! 5(11! *+36(%,! 5(&'! &',! /)&0+.'2)(*/1!3,/)40,3,%&)!&+!.0+7(8,!/!8,&/(1,8!.(*&40,!+9!&',!8/0:!3/&&,0;!!!!! Genauigkeit der Bestimmung des kosmischen Anteils 3,/)40,3,%&)! Dunkler.+))(61,! Materie /&! &',! und ABC! der /%8! Masse &',! der $ACD! DM-Teilchen 0,).,*&(7,12D! 9+0! &',! )4.,0)233,&0(*! 6,%*'3/0:! )*,%/0(+! )'+5%! 62! &',! 1(='&! F2,11+5E! /%8! 8/0:! F=0,,%E! '+0(G+%&/1! 6/%8)! /0,! &',! 3,/)40,3,%&)! 90+3! /%8!.0+).,*&(7,! J1/%*:;!! <(=40,! 90+3! /! )&482! 62! C+)3+1+=2!L46=0+4.;!!!! Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger

25 Themenkatalog für die Zukunft der Teilchenphysik an Beschleunigern: Ursprung der Teilchenmassen Suche nach dem (den) Higgs Boson(en) präzise Vermessung seiner Eigenschaften Klassifizierung des Mechanismus der Symmetriebrechnug im SM (oder in SUSY) Tevatron; LHC (pp) ILC (e + e ) Konsistenz des SM mit höchster Präzision top-quark Physik Strahlungskorrekturen: Reichweite M X >> E cm CP-Verletzung Neutrino-Oszillationen ILC B-(super)-Fabriken; (hl)lhc long baseline; ν-fabriken Suche nach Physik jenseits des SM Entdeckung (hl)lhc Präzision & Klassifizierung ILC das Unerwartete... VLHC; CLIC (e + e ); µ-collider Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 25

26 Particle Physics Projects Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 26 high energy frontier high precision neutrino-beams non-accelerator hadron collider Tevatron LHC hl-lhc HERA he-lhc lepton collider LEP ILC CLIC completed running / under construction planned µ-collider high energy Ecm MZ fixed target low energy Ecm < MZ τ-c-factory b-factories K2K long baseline CNGS Fermilab- Soudan T2K short baseline Fermilab CERN,RAL, Los Alamos Fermilab Mini-Boone neutrino factory axion solar searches Axions dark matter searches neutrinoless double-b-decay neutrinos from reactors neutrino masses solar neutrinos neutrinos from space

27 Neutrino-Fabrik (CERN-Studie) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 27

28 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 28 CLIC TWO-BEAM SCHEME QUAD Drive beam QUAD - High current - Low decelerating field POWER EXTRACTION AND TRANSFER STRUCTURE (=PETS) ACCELERATING STRUCTURES RF - CLIC TUNNEL CROSS-SECTION Main beam Low current - High accelerating field BPM 4.5 m diameter

29 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 29 CLIC 3 TeV new parameters E!43N 4((O E)#K!+B!32+3&&!4!)3'(),-.+/!0*+5-@+/67+L+ &(2B#$!) )#$MC =?, E!&!4!)3'()*+5F+C!&'()C+(G+5,@H+2 <>R,-A+;2 <>R,-A+;2 <=,! 1 23#$+4#$3& 4#$3& *+5,+/67* :2*+,5+;2 IJ5! " 23#$+4#$3& <=,.F-A+;2 B((C'!)+4#$3& 4#$3&*+ D+/!0*+,-.+/67! 1 #$%!&'(),-.+/!0! 1 <=5! " " #$%!&'()*+,-.+/!0

30 µ-kollider Komplex (CERN-Studie) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 30

31 Zukünftige Beschleuniger (Fermilab-Studie) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 31

32 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 32 Plasma-Wellen-Beschleunigung Plasma-Wake-Acceleration lokale elektr. Feldstärken: ~GV/m! fernere Zukunft? zumindest als after burners??

33 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 33 Plasma-Wellen-Beschleunigung mit Protonen (Simulation)

34 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 34

35 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger CERN Council, Juli the highest priority is to fully exploit the physics potential of the LHC... and centrally organize towards a luminosity upgrade by around 2015 (SLHC). 2. develop the CLIC technology and high performance magnets for future accelerators, and... study and develop a high intensity neutrino facility. 3. complement the results of the LHC with measurments at a linear collider within the energy range of 0.5 to 1 TeV, the ILC; coordinated through the Global Design Effort. 4. European participation in a global neutrino programme. 5. Coordinated European strategy for non-accelerator experiments.

36 Zusammenfassung heute erreichbare Beschleuniger-Parameter Beschleunigungsgradienten: 5 MV/m (LHC); 7 MV/m (LEP); 35 MV/m (ILC) Teilchenenergie: - e - / e + bis 102 GeV (LEP) - p bis 1 TeV (Tevatron); LHC: 7 TeV Teilchen / bunch: Luminositäten: - e - / e + bis cm -2 s -1 (KEKB, PEP-II) - p p bis cm -2 s -1 (Tevatron); LHC: cm -2 s -1 limitierende Faktoren: kreisförmige Beschleuniger (Speicherringe): - e - / e + : Synchrotronstrahlung vs. Beschleunigungsspannung/Umlauf ( W synch ~ E 4 / r ) - p p : Magnetfeldstärke der Dipole (Supraleitung!) - µ + µ - : Phasenraumkühlung und kurze Lebensdauer Linear-Beschleuniger: - e - /e + : Länge (Beschleunigungsspannung; derzeit max. 40 MeV/m: ILC) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 36

37 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 37 Literatur / weiterführende Informationen: H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics I & II Springer 1993/1995 K. Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger, Teubner 1992 Particle Data Group, SLAC Linear Accelerator Center, CERN, accintro.html

38 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern 1. Einführung: Teilchenphysik und Kosmologie Erdgebundene Beschleuniger (e+e-, Myonbeschleuniger) Teichendetektoren Präzisionsexperimente an Niederenergie-Beschleunigern Standardmodell Präzisionsmessungen mit LEP/SLC/ILC QCD und Jet Physik an Lepton Beschleunigern Dunkle Materie und Dunkle Energie Kosmische Beschleuniger Kosmische Höhenstrahlung I Kosmische Höhenstrahlung II Kosmische Höhenstrahlung III Sonnen- und Reaktorneutrinos Atmosphärische- und Beschleunigerneutrinos Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS12 S. Bethke, F. Simon V2: Erdgebundene Teilchenbeschleuniger 38