Ties Behnke, DESY Hamburg11-12-2001
TESLA: Das Projekt
Warum TESLA
Der TESLA Detektor
Die TPC für TESLA
TESLA: Eine TPC voller Präzision
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Linear Collider Projects Linear Collider Projects
Weltweit gibt es drei Projekte:
USA: NLCJapan JLCEurope TESLA
2000
2001
2002
2003
2004
Tesla TDR
germansciencecouncil
approval? start construction?
internationaldefinition
2010
Teilchen Physik: drei regionale Studiengruppen:
USA american LC workshop Japan ACFA workshop Europe ECFA/DESY workshop
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Das TESLA Project Das TESLA Project
Superconducting cavity: gradient > 25 MV/m
The TESLA site near Hamburg
Max energy 500-800 GeV = 5 1034 cm2 s1
Site length: 33km
Integrated Luminosity:500 /yearfb1
Integrated facility forelectron positron acceleratorand Free Electron Laser
TESLA: TDR submitted 3/01
1134 authors from 304 Institutesin 36 countries
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TESLA in der Nähe von Hamburg TESLA in der Nähe von Hamburg
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The TESLA TDR The TESLA TDR
The TESLA TDR: published March 2001 see http://tesla.desy.de/tdr
Presented to the public at theTESLA scientific colloquium, 23/24 March 2001in DESY Hamburg
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TESLA Layout TESLA Layout
TESLA collider layout:
DESY Westerhorn
TESLA tunnel: Durchmesser 5.20 m
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Status of Cavities Development Status of Cavities Development
TESLA Test Facility (TTF) Goals: Phase I:
development of acceleration modulesproof of principle of operation of SC linacat high (> 22.5 GeV) gradientproof of principle for SASE FEL in the VUV (60 nm) cavity performance
per production series
Tesla500
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Single Cell Cavities Single Cell Cavities
Further improvement of gradient: electropolishing
Gradients in excess of 40MV/min single cell cavities
"normal" welded cavities
Hydroformed cavities:
Overall development looks very encouraging Clear path to larger energies (800 GeV at least)
Overall development looks very encouraging Clear path to larger energies (800 GeV at least)
TESLA
50
0
TESLA
80
0
TESLA
80
0
TESLA
500
Chemically polished
Electropolished
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TESLA Parameter TESLA Parameter
TESLA 500 GeV Parameter TESLA 800 GeV Parameter
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Kernfragen der Teilchenphysik Kernfragen der Teilchenphysik
Was ist der Ursprung der Brechung der elektro-schwachen Symmetrie?Ursprung der Masse? Warum sind W und Z so massiv?
Sind unsere heutigen "elementaren Teilchen" tatsächlich elementar?
Gibt es eine Physik jenseits des Standard Modells?
dunkle Materiedunkle Energycosmologische Konstante 0
Gibt es eine gemeinsame Urkraft?
Warum gibt es drei Familien?
Peter P.Higgs: 9
Papers mit Higgs im Titel: 5286
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Experimentieren bei TESLAExperimentieren bei TESLA
Zeitstruktur der Kollisionen bei TESLA:
1 ms 1 ms
ca 3000 bunches 337 ns Abstand
lange "pulse trains""lange Abstände zwischen Pulsenviel Zeit zwischen zwei "trains"
SLD: 5000 nm
FFTB:50nm
TESLA:5nm
Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt
kleiner Strahlquerschnitt:hohe Luminositäthohe Strahl Strahl Wechselwirkung
kleiner Strahlquerschnitt:hohe Luminositäthohe Strahl Strahl Wechselwirkung
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Experimentieren bei TESLA II Experimentieren bei TESLA II
Die extreme Fokussierung der Strahlen erzeugt Untergrund:
ca 130000 ee Paare pro BX ca 360 TeV pro BX
sehr hohe Belastung mit Untergrund dicht am Strahl
einiges davon kommt auch in das Spurkammersystem
gezeigt: 1% einer Kollision!
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Ein Detektor für TESLA Ein Detektor für TESLA
Ansicht des für TESLA vorgeschlagenen Detektors
tracking system
coilcalorimeter
ECFA-DESY linear colliderstudy
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Das Kalorimeter Das Kalorimeter
Das Kalorimeter spielt eine zentrale Rolle in der Ereignis Rekonstruktion
Es misst: Energie für neutrale und geladene TeilchenOrt der EnergiedepositionRichtung der Energie Beispiel: Photonen Nachweis
gauge mediated symmetry breaking: predict decay of long lived neutral particle into photon + X particle could be long lived
Anforderungen:
gute Energieauflösungsehr gute Granularitäthermetischinnerhalb der Spule (wenig Material
vor dem Kalorimeter)gute Separation von neutralen und
geladenen Teilchen im Jet
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Kalorimetrie Kalorimetrie
Kalorimeter bei E>500 GeV spielt wichtige Rolle TESLA Konzept:
Präzisions, "tracking" KalorimeterW Absorber, SI Sensoren (1x1 cm pad)2
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Kalorimeter "Benchmarks" Kalorimeter "Benchmarks" Separation von W und Z
Rekonstruktion von Jetmassen
30% Eflow 60% EflowSeparation von W und Z ist sehrwichtig für viele Analysen:
gute Separation essentiell30% Eflow Auflösung gibt eine deutliche Verbesserung
Messung der Higgs Selbstkopplung:HHZ Ereignisse (6 Jets Endzustand)
Analyse ist mit 60% Eflow Auflösung nicht möglich!
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Das Spurkammer System Das Spurkammer System
Prazisions Vertex Detektor
SI strip Detektor ausserhalb des VTX Detektors (SIT)
TPC als grosser Spurdetektor
FCH in der vorwarts Richtung (FCH)
Verteilung des Materials als Funktion des Polarwinkelsim Zentraldetektor
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Vertex Detektor Vertex Detektor
Vertex Detektor: Verschiedene Optionen werden untersucht:Anforderungen
sehr gute Präzisionstrahlungshartschnellgroße Granularität
Warum: B-Physik: sekundäre Vertizes
Konstruktions Detail:
extrem dünne Leitern (50 um)Leitern haben keine Unterstützungwerden unter Spannung gehalten
1.5 cmbeampipe
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Anforderungen an den VTX Detektor Anforderungen an den VTX Detektor
Ziel: hervorragende b und c Nachweisesehr gute Stossparameter Auflösung
sehr gute Messung der Kopplungen derverschiedenen Flavours an das Higgs
deutlich besser als bisherige Detektoren
kann verschiedene Flavour unterscheiden: Tests der Kopplungen des Higgs an Flavour Tests des Higgs Mechanissmuses im Detail
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Vertex Detektor Vertex Detektor
Isometrische Ansicht der CCD Option
inner radius: 15mm
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Der SIT Der SIT
zwei Lagen doppelseitiger SI Streifendetektor (10 um Auflösung)
Anwendung: Verbesserung der ImpulsauflösungVerbesserung der SpurrekonstruktionseffizienzVerbesserung der Rekonstruktionseffizienz für langlebige Teilchen
Effizienz ein K0 zu finden als Funktion des Abstandes des Zerfallsvertex vom IP
Effizienz ein K0 zu finden als Funktion des Abstandes des Zerfallsvertex vom IP
Effizienz der Verbindung einer Spur zwischen VTX und TPC, als Funktion des SIT Radius
Effizienz der Verbindung einer Spur zwischen VTX und TPC, als Funktion des SIT Radius
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TPC tracking System TPC tracking System
TPC: Time Projection Chamber
large gasfilled systemlittle materialtrue 3-D reconstruction possiblelarge granularity
a simulated dd event
material budget:
Radius 180 cm
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Anwendung der SpurkammerAnwendung der Spurkammer
Modellunabhängige Messung der Higgs Masse:ZH EreignisseZll wird rekonstruiert
angestrebte Auflösung
Faktor 5 schlechtere Auflösung
Rekonstruktion der "recoil" Masse verlangt höchste Genauigkeit in der Spurrekonstruktion
angestrebte Impulsauflösung:
1 p 7105
Kriterium: Breite dominiert von intrinsischer Z Breite, nicht von Detektor Auflösung
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smuon observed mass spectrum
Supersymmetry Supersymmetry
Schlüssel zur Supersymmetry: Entdeckung Spectroskopie
in fast allen Modellen: erwarte zumindest einige Zustände bei erreichbaren Energien ("no loose theorem", nearly model-independent)
Wichtig: Schwellenscans. Braucht sehr gute Genauigkeit, um Spektrum genau zu vermessen
Wichtig: Schwellenscans. Braucht sehr gute Genauigkeit, um Spektrum genau zu vermessen
spektakuläre Signale am LC, wenn SUSY existiert
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Die TPC bei TESLA Die TPC bei TESLA
gas gefullte TPC als zentrale Spurkammer
Hauptmaße: 5m lang 30cm R(in) 170cm (Rout)
Vorteile einer TPC: wenig Material3D Punkteviele Punkte"einfach" (Auslese etc an der Endplatte)
Vorteile einer TPC: wenig Material3D Punkteviele Punkte"einfach" (Auslese etc an der Endplatte)
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Das TDR TPC Konzept I Das TDR TPC Konzept I
Konzept entwickelt fuer den TDR: Anlehnung an existierende Designs (Aleph, Delphi, Star)Neue Auslesetechnologie fuer die Endplatten vorgesehen
Verschiedene Gasmischungen:
100kV an der Kathode!100kV an der Kathode!
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Das TDR TPC Konzept IIDas TDR TPC Konzept II
Einige erste Ideen über die Realisierung einer TPC mit GEMs
Ein GEM Tower
Endplatte
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R&D für die TESLA TPC R&D für die TESLA TPC
Grundlegende R&D Fragen fur eine TESLA TPC:Auslese System? Ionen Feedback? Elektronik? MaterialbudgetSimulationKalibration...
DESY: Program zur Unterstutzung von LC Detektorentwicklungen:
Formale Proposals werden vom DESY PRC begutachtetR&D wird "DESY" Programm, wenn akzeptierteinige (sehr begrenzte) Mittel sind verfügbar
Ziel: Regionen-übergreifendes Entwicklungsprogram fur LC Detektoren
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Das TPC AuslesekonzeptDas TPC Auslesekonzept
konventionelle Lösung: ProportionaldrahtkammernAuslese der induzierten Signale mit Pads
Alternative: Micro-Gas Systeme: GEM, MicroMegasGranularität 2D und Auflösung angepasst
Beispiel GEM Auslese:
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The TPC with GEM Readout The TPC with GEM Readout
The basic idea of GEM based TPC
potential advantages:true 2D readoutbetter resolutionthinnerion feedback suppression?
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Die GEM Auslese einer TPC Die GEM Auslese einer TPC
Problem: direkter Nachweis der Elektronen auf dem Padkein (kaum) induziertes Signalpotentiell schlechtere Auflösung (oder sehrhohe Zahl von Kanälen)
induzierte Signale werden erwartet und können auch gesehen werden:
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Chevron Pads Chevron Pads
Ein möglicher Ansatz: "Chevron" PadsVerteilen der Ladung auf mehrere PadsBessere Auflösungen sind möglich mit endlich vielen Pads
Ergebnisse der Simulation:
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Andere Ansätze Andere Ansätze
Nachweis induzierter Pulse (Carlton, Canada)kleine induzierte Pulse werden nachgewiesen
Widerstandslage zur Verteilung der Ladung:
Probleme: Material der Zwischenlage?StabilitätDoppelhitauflösungSignalhöhe
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Die Test TPC in Hamburg Die Test TPC in Hamburg
TPC: ca 1m drift ausgestattet mit GEM Endplatte aufgebaut im Teststand für kosmische
Strahlen Auslesesystem: ALEPH Elektronik
(preamp und ADC) Auslese und Visualisierung mit LABVIEW
Programm
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Die Endplatte Die Endplatte
Aufbau: doppel GEM System2x6 mm PAD's Modularer Aufbau"einfacher" Austausch von GEMS und PADS möglichkein Magnetfeld (im Moment)
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Ergebnisse Ergebnisse
Signal zu Untergrund:
Verstärkungsfaktor zeitliche Stabilität
Langzeitoperation der Test TPC im Cosmic-Stand
Stabilität als Funktion der Position auf den Pads
sehr gutes Signal zu Untergrund (>40) Pedestals Signale
keine Korrekturen für Druck oder Temperatur!
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Gasverstärkung Gasverstärkung
... als Funktion der Gem Spannung: transfer, induction Feld
Drift Spannung
Verstärkung erreicht ca. 1500Verhalten im Wesentlichen wie erwartetrelativ niedrige Drift Spannungen
Gas: Ar(93)-CO2(4)-CH4(3)
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Spurrekonstruktion Spurrekonstruktion
Spurrekonstruktion undSpurfit implemented
voller Cluster finding Algorithmus
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Punktauflösungen: Punktauflösungen:
Residuen relativ zur angepassten Spur:
Residuen als Funktion der Driftlänge
Vorsicht: alle Messungen ohne externesmagnetisches Feld!
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Auflösungen gegen Spurwinkel Auflösungen gegen Spurwinkel
Definition der Spurwinkel
Auflösung als Funktion der Spurwinkel:
Vorsicht: alle Messungen ohne externesmagnetisches Feld!
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Vergleich Daten Monte Carlo Vergleich Daten Monte Carlo
Monte Carlo: "schnelles" Monte Carlo der Signal Formierung in der Gem AuslesedriftDiffusion in Drift und in TransferAuflösungseffekte
Punkte: Daten; Histogramme: Monte Carlo
Residuen:
Signalverteilungen
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Die Mini TPC Die Mini TPC
Ziel: gezielte Messungen von zentralen Parametern an einer TPC unter sehr gut kontrollierten und definierten Randbedingungen:
Ionen RückflussVerstärkungAufladungseffekts...
klein: 15x15 cm Grundflächekeine KanteneffekteBestrahlung mit Quelle
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Erste Ergebnisse Erste Ergebnisse
Fe-55 Signal: Test Messungen: Verstärkung
Energieauflösung des Photo-peaks
ca 12%
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Messung des Ionen Rückflusses Messung des Ionen Rückflusses
Einzelstrommessungen
Erste Ergebnisse der IonenrückflussMessung:
Gesamtstrom=Null!
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Magnetische Felder? Magnetische Felder?
Erste Stufe: warmer Magnet, 1T Feld
zweite Stufe: Kalter Magnet, bis zu 5T Feld, ehemaliger Kompensator bei H1wird im Moment am DESY wieder in Betrieb genommen
neues Kontrollsystemneuer Anschluss an Kältesystemneuer Laborplatz nötig
Betrieb mit dem Hochfeld Magneten wird nur im Labor möglich sein, nicht im Teststrahl!
Inbetriebnahme frühestens in einem halben Jahr
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Ausblick Ausblick
Ausrüsten der großen TPC mit neuen Pads:Chevron Padsmit/ ohne Magnetfeld
Betrieb der Kammer im DESY Teststrahlbis zu 6 GEV Elektronen, geringe Ratedurch tertiary target auch Mehrspurereignisse möglichKammer wird hinter SI Teleskop aufgebaut
TPC3 doppelte LagenSI Detektoren
Strahl
erwartete Auflösung an der TPC: <50 m, MS dominiert
B=1T
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Ausblick IIAusblick II
Mini TPC:Fortführung der Messungen des Ionen Rückflusses:
Genauere StrommessungenSystematisches Abtasten des PhasenraumesVersuch weitere MinimierungUntersuchen von GEMs als Austaktebene
Test TPC Nummer 2:Anfertigung für den Hochfeld Magneten ( bis 5T)ca 0.7m Drift Längeca 30cm DurchmesserAusgerüstet mit GEM Endplatte und Hochfeld PadsBetrieben mit Cosmics im MagnetenLaser? Ziel: Betrieb zweite Hälfte 2002
Ties Behnke: Die TPC bei TESLA48Aachen, 11.12.2001
Wie geht es weiter? Wie geht es weiter?
Von Seiten der Physiker:eine weitgehende weltweite Einigung konnte erzielt werden:
ECFA statementSnowmas statementACFA statementHEPAP statement
Ein e+e- Linearbeschleuniger mit einer Anfangsenergie von 500 GeV, ausbaufähig bis ca 1 TeV, soll so realisiert werden, daß er gleichzeitig mit LHC Daten nimmt. Beide Maschinen zusammen sind notwendig, um Physik auf der elektroschwachen Skala zu verstehen
Von Seiten der Politik:In Deutschland: Begutachtung durch den Wissenschaftsrat (Ergebnis Sommer, Frühherbst 2002)Danach im Prinzip entscheidungsreif durch die deutsche Regierung.Intensive Konsulationen mit anderen Ländern über Beteiligung, Form der Beteiligung etc notwendig
Das TESLA Konzept:Internationales Projekt begrenzter Dauer (kein zweites CERN)Ausländische Partner sind integraler Teil in Design, Bau und Betrieb: Global Accelerator Network
Technologie: Loew Panel review erwartet Mitte/ Ende 2002
Ties Behnke: Die TPC bei TESLAAachen, 11.12.2001 49
ZusammenfassungZusammenfassung
TESLA ist das nächste, große Projekt der Teilchenphysik auf der Welt (nach LHC) Der Detektor bei TESLA stellt neue und interessante Herausforderungen Calorimeterie wird eine ganz neue Qualität erreichen Vertex Detektoren: deutliche Verbesserung verglichen mit SLD, vor allem in Auslesegeschwindigkeit TPC:
starke internationale R&D Kollaboration hat sich formiertEntwicklungsarbeiten im Moment konzentrieren sich auf die AuslesemethodeGroße Entwicklungen sind notwendig bei der Ausleseelektronik
Beteiligte Institute in Deutschland: AachenHamburgKarlsruheMünchenRostock
im Ausland:FrankreichUSAKanada