Elektron Positron Linearbeschleuniger bei hohen Energien Ties Behnke DESY 24-März-1999 DPG Tagung 2000, Dresden Physik an Linearbeschleunigern Die Maschinenprojekte Ein Detektor für einen LC Ausblick
EIGENSCHAFTEN DES LC Beschleuniger, GeV Luminosität "! $#&% "! integrierte Luminosität pro Jahr: σ(fb) 10 6 10 3 1 10-2 µ + µ - Zh 120GeV ~ µ + ~ R µ- R 140GeV H + H - 190GeV Σ qq '( ) q=t ( )+* * ZZ cosθ <0.8 W + W - cosθ <0.8 0 200 400 600 800 1000 s (GeV) ~ µ + ~ L µ- L 230GeV ~ χ + ~ χ - HA 400GeV 220GeV tt 175GeV H + H - 410GeV '(, bei (-. "!0/ bei Higgs/ Jahr / Jahr WW/ Jahr GeV Jahr enorme Datenmengen verf ügbar Präzisionsphysik möglich 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 2
LINEARBESCHLEUNIGER IN DER ZUKUNFT Projekte weltweit: USA: NLC Japan: JLC Europa: TESLA CLIC Teilchenphysik: Worldwide Study Group Drei regionale Workshops: Amerikanisch Asiatisch Europäisch ACFA workshop ECFA/DESY workshop 1999 2000 Oktober November Europa Asien US weltweit Obernai ACFA März Mai Padua Berkeley September Oktober DESY LC00 FNAL 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 3
DAS STANDARDMODELL SM experimentell beeindruckend erfolgreich Aber: zentrale offene Frage: Brechung der EW Symmetrie Mechanismus ist offen χ 2 Wo stehen wir heute? 6 4 theory uncertainty α (5) had = 0.02804±0.00065 0.02784±0.00026 Leichtes Higgs klar bevorzugt im SM 2 0 Excluded Preliminary 10 10 2 10 3 m H [GeV] 800 LEPI LEPII GeV @ 95% CL Higgs Masse [GeV] 600 400 95% Grenze LEPEW fit 200 LEPEW Mittelwert direkte Suchen 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 4 Jahr
BRECHUNG DER EW SYMMETRIE Verschiedene Szenarien denkbar: ein leichtes Higgs (SM Szenario) ein oder mehrere Higgs Bosonen, Supersymmetrie? der schwache Weg starke Wechselwirkung der Eichbosonen kein Higgs: Neue starke Wechselwirkung erhält die Unitarität der Theorie typische Energien 1 TeV der starke Weg Substruktur Massen werden dynamisch kreiert, Substruktur; parametrisierbar durch Kontaktwechselwirkungen der Substruktur-Weg Typische Energieskala der Symmetriebrechung: Eine Maschine, die eine Energie von TeV erreicht, sollte diese Fragen beantworten können. 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 5
MÖGLICHE ENTDECKUNG DES HIGGS Falls die Natur den Higgs-Mechanismus verwirklicht hat: Entdeckt wird das Higgs vermutlich am LHC. Signal significance 10 2 H γ γ + WH, tth (H γ γ ) tth (H bb) H ZZ (*) 4 l H WW (*) lνlν H ZZ llνν H WW lνjj Total significance Nach 3 Jahren überzeugende Signale 10 1 Jahr 5 nach 1 Jahr Daten! ATLAS Ι L dt = 100 fb -1 (no K-factors) 5 σ 3 Jahre 5 nach 3 Jahre Daten! 1 10 2 10 3 m H (GeV) Ein Linearbeschleuniger sieht das Higgs sehr schnell und deutlich. 200 Nach einem Monat bei TESLA! 175 150 125 Masse auf mit 500 fb "! / 100 75 50 25 ) Bei hoher Luminosität Präzisionsmessungen! 0 60 80 100 120 140 160 180 200 Higgs-Bosonen nach einem Jahr: 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 6
JENSEITS DER ENTDECKUNG Kompletter Test unseres Verständnisses der Masse Kann das Higgs die Z-Masse erklären?, wobei: bb H cc gg... Higgs Branching Ratio 1 Z 0 Z 0 z 2 0 h = M W 2 i v GeV, 500 fb 10-1 Präzisionsmessungen der möglichen Higgs-Zerfälle auf einige Prozent! 10-2 90 100 110 120 130 140 150 m H (GeV/c 2 ) 0.6 0.4 0.2 κ=1.5 κ=0.5 SM: e + e - ZHH M H = 110 GeV σ pol [fb] λ/λ=0.2 Higgs Selbstkopplung: Rekonstruktion des Higgs Potentials Hohe Lumi notwendig! λ H H H = κ( λ H H H ) SM 0 300 500 750 1000 1250 1500 s [GeV] 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 7
ES GIBT DAS HIGGS NICHT... DER STARKE WEG Was wäre, wenn es das Higgs nicht gibt... Alternative könnte Einf ührung einer neuen starken Wechselwirkung sein (WW Re-scattering...) Die Rolle des Higgs wird in solchen Modellen von neuen nicht-elementaren Objekten übernommen, die einen endlichen Vakuumerwartungswert haben Ein solches Objekt wäre in WW Streuung sichtbar e W v W e W ν W Typische Massenskalen f ür solche Theorien (wiederum eingeschränkt durch die existierenden Messungen) sind TeV Studium der anomalen WW Kopplungen erlaubt ein detailliertes Studium dieser Effekte bereits bei kleineren Energien 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 8
SUBSTRUKTUR ES GIBT DAS HIGGS NICHT... Gibt es eine Struktur unterhalb der jetzt bekannten und im Standard Modell beschriebenen? neue schwere Bosonen? Kontakt Wechselwirkungen? Leptoquarks? Exotische Wechselwirkungen? Spin 2 Austauschteilchen?... Am besten studiert in der Reaktion 500 fb -1 sys= P=0%, P=0.0: sys= P=0%, P=1.0: sys= P=1%, P=0.8: - - AA VV LR RL RR LL AA VV LR RL RR LL µ + µ bb 0 25 50 75 100 125 150 [TeV] LC: erweitert den Bereich um einen Faktor 10 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 9
ANORMALE KOPPLUNGEN Wichtiger Test des Standard Modells im Allgemeinen und der no Higgs Szenarien im Speziellen Drei-Eichbosonen-Kopplungen tragen Informationen über eine mögliche neue Physik Vergleich der Sensitivität von LHC mit der eines LC κ γ 10-1 κ γ λ γ 10-1 λ γ 10-2 10-2 10-3 10-3 10-4 LEP TEV LHC TESLA 500 TESLA 800 10-4 LEP TEV LHC TESLA 500 TESLA 800 Vorteil eines LC über LHC f ür LHC und LC vergleichbar f ür LC hat größere indirekte Reichweite als LHC (via ) LHC hat größere Reichweite f ür direkten Nachweis, wenn ein solcher möglich Tests mit hoher Präzision sind möglich 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 10
/ TOP PHYSIK Ein LC(500) ist eine TOP Fabrik erlaubt Präzisionsstudien des TOP Systems plot f ür 50 fb! (-. "! basierend auf integrierter Luminosität = 1/10 Jahr Laufzeit: "! #$ % &'( )* % +,& -.# *10* *3254$6 87 4:9 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 m H ± m H L+T LHC : 57 % : 26 % LEP2 + Tev LC LC : 17 % 200 400 600 800 1000 m [ H GeV ] Top als schwerstes bekanntes Fermion eignet sich besonders gut f ür präzise Konsistenzchecks des SM 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 11
SUPERSYMMETRIE Supersymmetrie: populäre Erweiterung des SM Verschiedene Modelle sagen verschiedene Teilchenspektren voraus: LC LHC (color) m (GeV) 1000 m o =200 GeV, m 1/2 =100 GeV, A o =0, tan b =2, ml 0 500 Modell 1 250 100 m (GeV) 1000 m o =260 GeV, m 1/2 =220 GeV, A o =-500 GeV, tan b =1.6, mg 0 500 Modell 2 250 100 h o H o A o H ± χ1 o χ2 o χ3 o χ4 o χ + χ 1 + 2 e R e L n e t R t L n t u L u R d L d R b 1 b 2 t 1 t 2 g Linearbeschleuniger mit hoher Luminosität kann einen großen Teil des Spektrums rekonstruieren. Nur so kann die Struktur der Supersymmetrie (wenn sie existiert) verstanden werden. Präzisionsmessungen sind daf ür wichtig 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 12
GMSB Supersymmetrie muß gebrochen sein, wenn sie die Natur beschreiben soll Ein attraktives Modell ist Gauge Mediated Supersymmetry Breaking leichtestes SUSY Teilchen: Gravitino vorausgesagt: lange Lebensdauer typische Zerfälle: Statistical Calorimeter Timing Method Calorimeter Pointing 3d tracking Sensitivität: von bis zu einigen m Projective Tracking L (cm) LC mit hoher Luminosität kann auch exotische Signaturen gut sehen 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 13
ZUSAMMENFASSUNG PHYSIK Linear Collider Higgs / Masse: Breite BR s einige % HHH SUSY viele Zustände zugänglich testen von und entscheiden zwischen Modellen GUT/Planck Extrapolation Z,W Z Giga-Z Massenbereich ) TeV indirekt WW Massenskala bis TeV indirekt * * Masse MeV 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 14
DIE MASCHINEN Zwei Technologien: Normalleitend: NLC,JLC Supraleitend: TESLA KALT technologisches Neuland (Kavitäten) lange Wellenlänge (20 cm) schnelle R ückkopplung ok moderate Toleranz: 100 nm wenige Klystrons! 1000 GeV 3.2GeV damping ring main linac e + I.P. schwierig Standard kurz (2 cm) enge Toleranz 5-10 nm viele Klystrons: Leistung? 1000 GeV E "! e - main linac WARM 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 15
KAVITÄTEN ENTWICKLUNG Intensive F+E Arbeiten im Rahmen der internationalen TESLA Kollaboration seit Anfang der 90 er Jahre Ziel: Entwicklung von supraleitenden Kavitäten mit Gradienten MV/m Stand: MV/m routinemässig erreicht Kavitätenproduktion f ür Einzeller MV/m erreicht! Einzeller Kavitäten F+E sehr erfolgreich, Industriestudien angelaufen 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 16
DER BESCHLEUNIGER TESLA TESLA: 500-800 GeV Elektron-Positron-Linearbeschleuniger Schematischer Aufbau: x-ray laser electron source e - linear accelerator linear accelerator e + damping ring e - positron source aux. positron and 2nd electron source positron preaccelerator electron-positron collision high energy physics experiments damping ring Supraleitender Beschleuniger Sehr hohe Luminosität: fb "! /Jahr Symbiose aus einem Labor f ür Teilchenphysik und einem Labor f ür Life Sciences (Freier Elektronen Laser) 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 17
DER FREIE ELEKTRONEN LASER TESLA: Hochenergiephysik + Freier-Elektronen-Laser TESLA: laser im Roentgenbereich: nm FEL ist integraler Bestandteil des Projektes mit Anwendungen in Festkörperphysik, Biologie... 22. Februar 2000, 4:40 morgens, DESY: Lasen des FEL am TTF TTF: VUV laser, bisher: 450 nm Entscheidender Schritt auf dem Wege zu einem TESLA FEL Ab 2003: VUV FEL Labor am DESY mit Meßplätzen 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 18
EXPERIMENTIEREN BEI 500 GEV Internationale Gruppe - ECFA/DESY Workshop beschäftigt sich mit der Physik und einem Detektorkonzept Detektor muß geeignet sein f ür - Präzisionsphysik - große Datenmengen verhältnißmäßig einfache Extrapolation existierender Experimente instrumented return yoke TPC Vertex Mask Coil Calorimeter Schematische Zeichnung des Detektors. Größenordnung: 4 stöckiges Haus (vergleichbar HERA Detektor 1.5) - 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 19
VERTEX DETEKTOR Der innerste Detektor: unmittelbar am Strahlrohr Radius = 15cm Hochauflösender SI Pixel Detektor mit 100 Millionen Kanälen. Zerfall eines B Mesons: Lebensdauer! tag purity 1 0.9 Effizienz und Reinheit f ür Bottom und Charm Nachweis 0.8 0.7 b-tagging NN c-tagging NN 0.6 0.5 0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 tag efficiency 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 20
SPURKAMMER Dominierender Detektor: TPC Großer, gasgef üllter Detektor Rekonstruktion geladener Spuren in 3 Dimensionen in etwa Pixeln Radius = 150 cm 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 21
STÄRKEN EINER TPC Spurerkennung bis zu großen Radien OPAL MC Simulation: Zerfall Große Redundanz durch eine große Anzahl von Spurpunkten Vorteil f ür die Mustererkennungsalgorithmen? Wahre 3D Rekonstruktion D ünner Detektor / gibt es umsonst 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 22
DAS K ALORIMETER Messung der Energie geladener und / neutraler Teilchen - hochauflosendes Si-W ECAL - exzellente Segmentierung - hermetisch (umschließt den ganzen Detektor) - großter Teil innerhalb der Spule (4T Feld) Vorgeseheme Auflosung erlaubt Tracking im Kalorimeter Fanal 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 23
DER WEG ZU TESLA aktuell Fr ühjahr 1998 Fr ühjahr 1999 April 1999 Fr ühjahr 1999 Anfang 2000 Fr ühjahr 2000 Fr ühjahr 2001 TTF R&D II. DESY / ECFA study on physics and detector at future linear colliders scoping date am DESY: Beginn der Umweltverträglichkeitsstudie f ür TESLA Regierung stimmt einer Begutachtung durch den Wissenschaftsrat im Jahre 2001 zu Installation und Test eines zweiten Modules in TTF proof-of-principle eines FEL Workshop in Padua zur Vorbereitung des technischen Design Reports TDR (Maschine und Experiment) fertig und wird dem Wissenschaftsrat übergeben 2002/2003 Entscheidung der deutschen Regierung 2003 Projekt wird im internationalem Rahmen etabliert 2003... Baubeginn 2008-10 Erste Strahlen Linearbeschleunigerprojekte haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht Ein LC hat ein reiches und interessantes Physikprogram Das LC Physikprogramm ist über weite Strecken komplementär zum LHC 24. Februar 2000 Ties Behnke: Linearbeschleuniger 24