… und wie die lichtstrahlen, welche aus unendlich vielen verschiedenen richtungen herkommen, sich...
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… und wie die Lichtstrahlen, welche aus unendlich vielen verschiedenen Richtungen herkommen, sich krezuen ohne sich gegenseitig zu hindern
Christian HuygensTraité de la Lumière, Leiden 1690
Photon – Photon Kollisionen
mitTELSA
Achim Stahl -- DESY Zeuthen – 5.Feb.’03
Photon-Photon Kollisionen
Das TESLA Projekt
: Physikalische Motivation
-: Technische Realisierung
33 km Tunnel
2 Beschleuniger mit je 15 km
10-30 m unter der Erde
Bauzeit ca. 8 Jahre
21024 Resonatoren supraleitend
1 od. 2 Teilchen- physik-Experim.
500 GeV Ecm
bis 800 GeV
L: 3.4 x 1034 cm-2s-1
Rőntgenlaser
1 bis 0,1 nm
20 Messplätze
TESLA bei Hamburg
Hohlraumresonatorenzur Beschleunigung
9-Zeller, reines Nb
Gradient: 35 MV/m
800 GeV Ecm
Oberflächenpreparation
Chemische Politur Elektropolitur
Luminosität5 Bunch-Züge / Sekunde
2820 Bunche / Zug
2 102 Teilchen / Bunch
Bunch-Grösse:• x: 553 nm• y: 5 nm• z: 300 µm
Raten:• 30 W+W- / min• 1 tt / min• 0.5 H0 / min• 15 Z0 / sec
Zwei starke PartnerLHC TESLA
Hohe Energie Hohe Präzision
Higgs-Entdeckung Higgs-Studium
Polarisation:einstellbar
e-: max. 85 %e+: ca. 60 % ?
longitudinaltransversal?
FlexibilitätSchwerpunktsenergie:
einstellbarvon
90 GeV bis
800 GeV
Optionene+ e-
e- e-
e-
T-HERA: e-/e+ p+
TESLA-N: e- Nukleon ELFE: e- Nukleon
Photon – Photon KollisionenPhysikalische Motivation
Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften
Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen
SUSY: Hohe Ereignisraten e ẽ
Photon – Photon KollisionenPhysikalische Motivation
Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften
Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen
SUSY: Hohe Ereignisraten e ĕ
Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung
Das Higgs-Boson erscheint selbst
Masselose Teilchen im Higgsfeld
Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g2 v2
Massive Teilchen
Teilchen miteffektiver Masse
Uminterpretation
Teilchenmassen
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)
H0 f
fg ~ mf
Higgs-Mechanismus
•Teilchen erhalten eine scheinbare Masse durch Wechselwirkung mit einem Hintergrund(Higgs-)feld
•Kopplung: Higgs + Teilchen grosse Koppl. ↔ grosse Masse
→ Higgs
H0
g = 0
- Wechselwirkung
2-Photon-Streuung
f
f
f
f
Exp. NachweissHughes & Jauncey
1930WQ < 3 10-20 cm2
QED ≈ 10-60 cm2
Exp. Nachweiss
f
f
f
f
e-
e+
- WW in
“2-Photon-Scattering”
e-
e+… in agreement with QED …
- Wechselwirkung
2-Photon-Streuung
f
f
f
f
4 Vertices kleiner WQ
2-Photon-Streuung
f
f
f
hoher WQaber Ecm > 2 mf
2-Photon-StreuungWQ: f(x)
2
m2
Raten e+e-
W+W- 60 / min 30 / min
tt 0.7 / min 1 / min
e+e- mehrere / BX
→ Higgs
H0
g = 0
H0
okay
t
tt H0
okay
W
WW
→ Higgs
(H0 → ) = 10-13 mH3 |Σi ξi Ni ei
2 fi|2
(in GeV)ξi: Higgs MischungNi: Colour-Faktorei: el. Ladung
Partielle Zerfallsbreite
fi =-1/3 S-4/3 F+ 7 V
(für grosse Massen)Genauigkeit: 2%
→ Higgs → bb
H0 b
b
b,c
b,c
Signal
Untergrund
H0
J = 2
J = 0 J = 0
J = 2Photon
Polarisation
Ecm = mH
Simulation:
Genauigkeit:2% möglich
1 Jahr Laufzeit: Sig: 3370 ev. Bgd: 2900 ev.
Vergleich:
H0b
b+
2
H0b
b
H0
+
2
H0
Fazit: → H0 ist messbar grosse Sensitivität auf schwere Teilchen
3 Wege zu höheren Energien:Hohe StrahlenergienHohe PräzisionVerbotene/Unterdrückte Prozesse
Zusammenfassung:
Higgs-Boson: Photon-Kopplung CP-Eigenschaften
Schwache WW: 3-Boson-Kopplung Anomale 4-Boson-Kopplungen
SUSY: Hohe Ereignisraten e ẽ
sehr interessant
ähnlich e+e-
to be done
Technische Realisierung:
e- e-
Laser
Laser
-Kollision
Compton-Kinematik:Laser
e-
e-
Laser: 1μm
e-beam: 50…400 GeV
0.1 1 10 0.1 1 10λ in μm λ in μm
0 500E in GeV
0
20
0
400
E
in G
eV
Ecm
in
MeV
0
1
2
3
0
1
0
20
θ in
μra
d
Photon-Spektrum:
-1: 0:
+1:
Polarisation
e-
Compton-Rate:
Rate = / BX Ne N
ACompton = 2.5 10-25 cm2
A ≥ λ2
Ne = 2 1010= 5 10-7 N
→ ca. 1 Joule Pulse à 1 psec
Pulszug 1 ms 2820 Pulse
Pulszug 1 ms 2820 Pulse 5 Hz5 Hz
Leistung: 1 TW / BX 2 MW / Pulszug 1 kW / total
Konversionsrate:
Photon-Spektrum:
Compton-IP:
Laser Out
Laser In
Electrons Out
Electrons In
IP
Electrons Out
Electrons In
Laser
Querschnitt bei 3.80 m
Laser Out Laser In
Strahlführung:
Übersicht:
33 km
Linac Linac
e+e-
Westerhorn Ellerhoop DESY
Laser: ext. Ring-Resonator
Ingo Will, MBI Berlin
Laserfokus:
Spiegel Ø: 80 cm
Brennweite: 8 m
Fokus Ø: 17 μm
0 = 67 mrad
Detektor:
Untergrund:
Rückstreuung des ‘verbrauchten‘ Strahls
Beam-Strahlung
2-Photon-Wechselwirkung (1,4 ev. / BX)
Energieverteilung @ 3.80 m
Einheit: GeV/mm2
14 mrad
Der verbrauchte Strahl:
Die Maske:
Untergrund in TPC:
ECal
EC
al
IP Eintrittspunkt in die TPC
TPC
Untergrund TPC:: 7500 / BXe+e-: 1300 / BX
tolerabel
Untergrund in TPC:e+e-
VTX-Detektor (5 Lagen Si) identische Geometrie ähnlicher Untergrund
okay
b-tagging:
Zum Beispiel:
→ H0 → bb
Identifikation
Zusammenfassung:Physik: Higgs-Physik sehr interessant Aber sonst ?
Detektor: Laser: mech. Toleranzen Vorwärtsbereich Maske Zentralbereich wie e+e-
Beschleuniger: schwierig, vermutlich okay