ILC, a nemzetközi lineáris ütközteto˝ : terv vagy ábránd? ELTE részecskefizikai szeminárium, 2009. febr. 18. Horváth Dezs˝o
[email protected] MTA KFKI Részecske– és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 1
International Linear Collider SppS → LEP (SLD) → LHC → ILC? Ami megvan (SM) és ami nincs (Higgs, SUSY?) ˝ ILC vagy CLIC? Müon-ütközteto?? ILC: technika ILC: fizika ILC: kilátások
˝ Információ az ILC-rol: http://www.linearcollider.org/
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 2
LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó
Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás.
Rossz
Rettenetes háttér, az ˝ érdekesebb dolgok elofordulási gyakorisága 10−6 − 10−3
Csúf
Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 3
Felfedezés és pontosság ˝ felfedezési potenciál Hadron-ütközteto: LHC 10 (14) TeV-es p-p ütközésében rengetegféle (q-q, g-g, q-g) kölcsönhatás, 0 – 5 (7) TeV kh-i energiával. Új fizika megfigyelésére ideális, de óriási háttér, eseményenként 10-20 p-p ütközés. Érdekes reakció azonosítása leptonokkal, de neutrínók miatt nem teljes kinematika. p-p ütközésekben (CERN, SppS, 1983) megfigyelték a W± és Z bozont Elektron-pozitron ütközés: reakciók pontos tanulmányozása e+ e− ütközésekben (LEP és SLC, 1989-2000) pontosan ˝ kimérték a gyenge bozonok tulajdonságait, megerosítve a Standard modellt Ha LHC új fizikát (Higgs, SUSY, ...) talál, rá kell hangolni e+ e− ˝ és megmérni a tulajdonságait. ütköztetot Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 4
A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: 1989–2000
LHC: 2009–
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 5
A nagy elektron-pozitron ütközteto˝ (LEP)
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 6
A Standard Modell diadalútja Measurement
Fit
(5) ∆αhad(mZ)
0.02758 ± 0.00035 0.02767
mZ [GeV]
91.1875 ± 0.0021
91.1875
ΓZ [GeV]
2.4952 ± 0.0023
2.4958
σhad [nb]
0
41.540 ± 0.037
41.478
Rl
20.767 ± 0.025
20.743
0,l
Afb
Al(Pτ) Rb
0.1465 ± 0.0032
meas
3
valamennyi kísérlet ˝ sokszáz eredményébol |Mért–számolt|/szórás
0.21629 ± 0.00066 0.21582 0.1721 ± 0.0030
0.1722
0.0992 ± 0.0016
0.1038
0.0707 ± 0.0035
0.0742
Ab
0.923 ± 0.020
0.935
Ac
0.670 ± 0.027
0.668
0.1513 ± 0.0021
0.1481
sin θeff (Qfb) 0.2324 ± 0.0012
0.2314
mW [GeV]
80.399 ± 0.025
80.376
ΓW [GeV]
2.098 ± 0.048
2.092
mt [GeV]
172.4 ± 1.2
172.5
2 lept
Állapot 2008 nyarán
0.1481
0,b Afb 0,c Afb
July 2008
fit
−O |/σ 1 2
0.01714 ± 0.00095 0.01644
Rc
Al(SLD)
meas
|O 0
˝ Enyhén eltéro˝ adat évrol évre változott Utolsó (így is marad...): e+ e− → Z → bb¯ ˝ elore-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport: 0
1
2
3
http://lepewwg.web.cern.ch/
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 7
De hol van a Higgs-bozon? A spontán szimmetriasértés mellékterméke A fizika legkeresettebb részecskéje, mivel a Standard Modell egyetlen hiányzó alkatrésze. Kísérletileg (még?) nem figyeltük meg, LEP: M(H) > 114.4 GeV Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat „It was in 1972 ... that my life as a boson really began” Peter Higgs: My Life as a Boson: The Story of „The Higgs”, Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) 86-88.
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 8
Modellek a SM-en túl (SUSY!)
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 9
Szinkrotronsugárzás Hajlítás mágneses térben Protonra p = 0, 3Bρ impulzus [p] = GeV/c mágn. tér [B] = Tesla görb. sugár [ρ] = m
LHC
B = 1 T, ρ = 10 km ⇒ p = 3 TeV/c LHC: B = 8, 3 T
Energiaveszteség:
∆E(e) ∆E(p)
∼ (mp /me )4 ∼ 1013
A LEP volt az utolsó nagy elektron-szinkrotron, 100 GeV fölötti elektronhoz lineáris gyorsító kell Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 10
Tervezés kezdete ˝ LHC tervezése 1984-ben kezdodött, 5 évvel a LEP ˝ indulása elott! Az ILC tervein Japánban a 80-as évek közepe, DESY-ben és SLAC-ban a 90-esek eleje óta dolgoznak. A három elképzelést 4 éve egyesítették és 2007-ben publikálták az ILC terveit. ILC terve: (a DESY TESLÁ-ja alapján): 1,3 GHz-es szupravezeto˝ gyorsító-rezonátorok, 500 GeV elektron-pozitron ütközési energia.
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 11
Versengo˝ tervek Novoszibirszk: kezdetek, 1971 KEK: JLC → GLC (Japan → Global Linear Collider), 1991-2003 Cu gyorsítóüregek: 11,4 GHz (X-sáv), 65/50 MV/m gyorsítás, ECM = 0, 5 − 1, 25 TeV, ütközési szög: Θ = 7 mrad. DESY: TESLA (Tera-eV Energy Superconducting Linear Accelerator), 1993-2001 Szupravezeto˝ gyorsítóüregek: 1,3 GHz (L-sáv), 23 MV/m, ECM = 500 GeV - 1 TeV, Θ =∼ 0 mrad TESLA-terv Hamburgban elvetve, XFEL jóváhagyva SLAC: NLC (Next Linear Collider), 1996-2002 Cu üregek: 11,4 GHz, 70/50 MV/m, 500 GeV - 1 TeV, Θ = 20 mrad GLC+NLC egyesülés, 2002
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 12
NLC/JLC terve, 2002
Damping ring: emittancia csökkentése (10−5 ), ˝ kis emittanciájú nyaláb tárolása és idozített kivezérlése.
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 13
TESLA terve, 2003
XFEL: Ee− = 20 GeV, Ie− = 5 mA, f = 10 Hz, csomaghossz = 80 fs Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 14
ILC: TESLA-technológia 2004: ICFA (Intern. Committee for Future Accelerators) ⇒ International Technology Recommendation Panel ITRP jelentése (2004 szept.): TESLA technológia Alacsonyabb frekvencia: nagyobb apertúrák → kisebb érzékenység földmozgásra; kisebb sérülékenység elemekre. XFEL megépítése: prototípus, elemek gyártásban. Szupravezeto˝ technológia: kisebb energiaszükséglet. ˝ változtatás nélkül bovíthet ˝ ˝ 1 TeV-re. Jelentos o˝ a kezdeti 0,5-rol Nagy bunchtávolság, jobban kidolgozható detektor-válasz. Nyalábenergia szórása kisebb. ˝ a nyalábok, egyszerubb Kis szög alatt ütköztethetok ˝ sugárvédelem. Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 15
DESY: TESLA Test Facility Tera-elektronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator
1,3 GHz-es Nb üregrezonátor (17000 egység) és gyorsítótere
TTF részegysége
XFEL undulátora
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 16
DESY TTF ⇒ FLASH Free electron LASer in Hamburg Tesztpadnak épült, felhasználói berendezés lett
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 17
ILC: Reference Design Report, 2007 15 intézmény kiadványa 38 ország Ausztrália, Ausztria, Csehország, Dánia, Fehéroroszország, Finnország, Franciaország, Fülöp-szigetek, Görögország, Hollandia, India, Írország, Izrael, Japán, Kanada, Kína, Korea, Lengyelország, Magyarország, Montenegro, Nagy-Britannia, Németország, Norvégia, Olaszország, Oman, Oroszország, Portorico, Románia, Spanyolország, Svájc, Svédország, Szerbia, Tajvan, Törökország, Új-Zéland, Ukrajna, USA, Vietnam ˝ ∼ 2000 kutató. 325 intézményébol A gyorsító becsült költsége: 4,8 G$ (beszállítás) + 1,8 G$ helyi infrastruktúra (alagutak, épületek). Kevéssé függ attól, melyik kontinensen épül Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 18
ILC: alapelrendezés, 2007
Nyalábzsugorító gyur ˝ uk ˝ középen 150 GeV-es elektronnyaláb készít pozitront Csiki-csuki: két detektort tologat ki-be, másik árnyékolva Polarizáció (ütközési pontban): e− > 80%, e+ > 60%
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 19
ILC: alapelrendezés, 2007
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 20
ILC: ketto˝ s alagút
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 21
A gyorsítók paraméterei (ECM = 500 GeV) Parameter
Unit
GLC
TESLA
ILC 2007
Luminosity
1034 cm−2 s−1
2.5
3.4
2.0
Pulse rate
Hz
150
5
5
Pulse length
µs
1.59
950
1000
192
2820
2625
1.4
337
369
7.5 × 109
2 × 1010
2 × 1010
Bunches per pulse Bunch interval
ns
Particles per bunch Bunch length at IP
mm
0.11
0.3
0.3
Beam size at IP (H ×V )
nm
243 × 3
553 × 5
640 × 5.7
MV/m
50
23.4
31.5
Power consumption
MW
215
97 (linacs)
230
Site length
km
32
33
31
Accel. grad. (loaded)
Cost estimate
JPY 495 G EUR 3.1 G USD 4.79 G
Additional manpower
man-year
>800
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
6933 ELTE, 2009. febr. 18.
12000 – p. 22
ILC lehetséges helye, átlagos mélység USA (FNAL) 30–100 m Japán (hegyláb) 40–600 m Vizszintes megközelítés
CERN 370 m
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 23
És a CLIC? Compact LInear Collider, CERN Elképzelés: 150 MV/m ⇒ ECM = 3 TeV Kétnyalábos gyorsítás: 750 MeV-es nagyáramú, pulzált ˝ elektronnyaláb lassításával nyernek vívohullámot a másodlagos elektronnyaláb 150 MV/m-es gyorsításához. CLIC Test Facility: 2010-re bizonyítani a módszer muködését. ˝ Utána terv: 100 MV/m ⇒ ECM = 500 GeV Ilyen térgradiens csak meleg üregekkel ˝ 2009, új foig.: ILC és CLIC fejlesztési együttmuködése ˝ hivatalos Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 24
CLIC elrendezése 3 TeV-re
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 25
CLIC elrendezése 500 GeV-re
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 26
ILC cs. CLIC: paraméterek Parameter
Unit
CM energy
GeV
500
500
3000
Luminosity
1034 cm−2 s−1
2.0
2.3
10.0
Pulse rate
Hz
5
50
100
2625
354
154
Bunches per pulse Bunch interval
ns
Particles per bunch
ILC 2007 CLIC (2007) CLIC (2000)
369
0.666
2 × 1010
6.8 × 109
4.0 × 109
Bunch length at IP
µm
300
72
30
Beam size at IP (H ×V )
nm
640 × 5.7
243 × 3
43 × 1
MV/m
31.5
80
150
Power consumption
MW
230
130
300
Site length
km
31
12.8
27.5
Accel. grad. (loaded)
LEP2: ECM ≤ 209 GeV, ∆U = 7.2 MV/m, L ≤ 1032 cm−2 s−1 Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 27
Müon-ütközteto˝ ? RAL: Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) Cél: neutrínógyár, müonütközteto˝ ˝ szinkrotronos tárológyur Ütközteto: ˝ u˝ (Mµ ∼ 200Me ) (BNL, FNAL, RAL, CERN, ... 47 intézmény) Elképzelheto˝ paraméterek (Bruce King, BNL, 1997): 15 km kerület; 7 T dipóltér; x = y = 780 nm, z = 1, 1 mm nyalábméret; ECM = 10 TeV; Eµ /mµ = 47322; L = 1036 cm−2 s−1 ; 1, 4 × 107 SM-Higgs/év/exp (m = 100 GeV). Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 28
A SM érzékenysége Higgs-tömegre 6
LEP-keresés: MH > 114.4 GeV
∆αhad =
5
0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 incl. low Q2 data
4 2
Felso˝ határ (illesztés és elmélet bizonytalansága): MH < 154 GeV (95 % konf.)
Theory uncertainty (5)
∆χ
SM fitt (minden mérés, 2008): +34 MH = 84 GeV −26
mLimit = 154 GeV
July 2008
3 2 1 0
Excluded 30
Megengedett régióra normálva: 114.4 < MH < 185 GeV (95% CL)
Preliminary
100
300
mH [GeV]
LEP Elektrogyenge munkacsoport (http://lepewwg.web.cern.ch/) Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 29
Higgs-keltés az LHC-nál g H
q g
gluonfúzió q
q
H
W,Z _ q
_ q
vektorbozonfúzió
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 30
A SM Higgs-bozonjának bomlása
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 31
CMS, H → γγ: mH < 140 GeV
Jól azonosítható, igen kicsi valószínuség ˝ u˝ (2 × 10−3 ) Könnyu˝ Higgs-bozonra ez a leghatékonyabb CMS elektromágneses kaloriméterét erre tervezték
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 32
H → γγ: csak vágásokkal
Statisztikus módszerek sokat javítanak (ANN) Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 33
ILC: fizikai témák Higgs-fizika (SM és túl) Mértékbozonok csatolása fermionokhoz és egymáshoz Top-fizika (tömeg és szélesség, csatolások Szuperszimmetria Egzotika (extra dimenziók, stb) Kozmológia (sötét anyag, barion-aszimmetria)
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 34
Higgs-keltés az ILC-nél Domináns reakciók e+
Ζ
Ζ*
e−
H
e+ e− →ZH ν
e+
H
W
e−
_ ν
e+ e− →ννH Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 35
ILC-fizika: könnyu˝ Higgs-bozon dσ/dE e+ e− →HZ→µ+ µ− reakcióra ECM = 230 és 350 GeV-nél Fontos a változtatható nyalábenergia ECM : 200 · · · 500 GeV !
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 36
Terv vagy ábránd? 2004: ICFA ITRP kiválasztja TESLA technológiát ILC-re. Megalakul a Global Design Effort (GDE): USA, Japán, Európa. ˝ mindenki biztosra veszi, hogy USA-ban USA vezeto, épül meg, FNAL a legnagyobb esélyes. Európában fo˝ mozgató D, UK, F. CERN fél, hogy elveszti a vezeto˝ szerepet, CLIC-et próbálja ILC elé helyezni. 2007 aug: Elkészül a Reference Design Report pontos tervekkel. 2007 nov: ILC–CLIC közös konferencia, innen (nem-hivatalos) együttmuködés. ˝ Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 37
Terv vagy ábránd? 2007 dec: USA visszavágja a GDE 2008-as költségvetését arra, amennyit már 2007-ben elköltött, UK azonnal követi (40 FTE → 15 FTE). A munka 9 hónapra leállt USA-ban, a többi helyen folytatódott. 2009 jan: Új DG CERN-ben, Rolf Heuer, néhai ˝ CERN-csoportot alakít TESLA-fejleszto˝ a DESY-bol. LC-detektor fejlesztésére. ILC fejlesztése: CERN-FNAL-KEK központokban. Hivatalos ILC–CLIC együttmuködés. ˝ 2009 dec: Conceptual Design Report ILC-hez. ˝ függ: mekkora ILC vagy CLIC LHC eredményeitol energia kell. Ha 1 TeV fölötti, csak CLIC. Döntés 2010-12-ben. Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 38
Köszönöm a figyelmet
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 39
Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA T046095, NK67974, K72172, H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és III 031688 Megérto˝ együttmuköd ˝ o˝ partnereink
Horváth Dezs˝o: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztet˝o: terv vagy ábránd?
ELTE, 2009. febr. 18.
– p. 40
