ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd?

Átírás

1 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 1 ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE részecskefizikai szeminárium, febr. 18. Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen

2 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 2 International Linear Collider SppS LEP (SLD) LHC ILC? Ami megvan (SM) és ami nincs (Higgs, SUSY?) ILC vagy CLIC? Müon-ütköztető?? ILC: technika ILC: fizika ILC: kilátások Információ az ILC-ről:

3 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 3 LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás. Rossz Rettenetes háttér, az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.

4 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 4 Felfedezés és pontosság Hadron-ütköztető: felfedezési potenciál 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 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, ) pontosan kimérték a gyenge bozonok tulajdonságait, megerősítve a Standard modellt Ha LHC új fizikát (Higgs, SUSY,...) talál, rá kell hangolni e + e ütköztetőt és megmérni a tulajdonságait.

5 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 5 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: 2009

6 nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 6

7 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 7 A Standard Modell diadalútja Measurement Fit O meas O fit /σ meas α (5) had (m Z ) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± R l ± A 0,l fb ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± A c ± A l (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m W [GeV] ± Γ W [GeV] ± m t [GeV] ± July Állapot 2008 nyarán valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből Mért számolt /szórás Enyhén eltérő adat évről évre változott Utolsó (így is marad...): e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport:

8 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 8 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) > GeV Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat It was in 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)

9 Modellek a SM-en túl (SUSY!) Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 9

10 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 10 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) (m p/m e ) A LEP volt az utolsó nagy elektron-szinkrotron, 100 GeV fölötti elektronhoz lineáris gyorsító kell

11 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 11 Tervezés kezdete LHC tervezése 1984-ben kezdődött, 5 évvel a LEP indulása előtt! 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 szupravezető gyorsító-rezonátorok, 500 GeV elektron-pozitron ütközési energia.

12 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 12 Versengő tervek Novoszibirszk: kezdetek, 1971 KEK: JLC GLC (Japan Global Linear Collider), Cu gyorsítóüregek: 11,4 GHz (X-sáv), 65/50 MV/m gyorsítás, E CM = 0,5 1,25 TeV, ütközési szög: Θ = 7 mrad. DESY: TESLA (Tera-eV Energy Superconducting Linear Accelerator), Szupravezető gyorsítóüregek: 1,3 GHz (L-sáv), 23 MV/m, E CM = 500 GeV - 1 TeV, Θ = 0 mrad TESLA-terv Hamburgban elvetve, XFEL jóváhagyva SLAC: NLC (Next Linear Collider), Cu üregek: 11,4 GHz, 70/50 MV/m, 500 GeV - 1 TeV, Θ = 20 mrad GLC+NLC egyesülés, 2002

13 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 13 NLC/JLC terve, 2002 Damping ring: emittancia csökkentése (10 5 ), kis emittanciájú nyaláb tárolása és időzített kivezérlése.

14 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 14 TESLA terve, 2003 XFEL: E e = 20 GeV, I e = 5 ma, f = 10 Hz, csomaghossz = 80 fs

15 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 15 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. Szupravezető technológia: kisebb energiaszükséglet. Jelentős változtatás nélkül bővíthető a kezdeti 0,5-ről 1 TeV-re. Nagy bunchtávolság, jobban kidolgozható detektor-válasz. Nyalábenergia szórása kisebb. Kis szög alatt ütköztethetők a nyalábok, egyszerűbb sugárvédelem.

16 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 Dezso : ILC, a nemzetközi lineáris ütközteto : terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 16

17 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 17 DESY TTF FLASH Free electron LASer in Hamburg Tesztpadnak épült, felhasználói berendezés lett

18 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 18 ILC: Reference Design Report, 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 325 intézményéből 2000 kutató. A gyorsító becsült költsége: 4,8 G$ (beszállítás) + 1,8 G$ helyi infrastruktúra (alagutak, épületek). Kevéssé függ attól, melyik kontinensen épül

19 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 19 ILC: alapelrendezés, 2007 Nyalábzsugorító gyűrűk középen 150 GeV-es elektronnyaláb készít pozitront Csiki-csuki: két detektort tologat ki-be, másik árnyékolva Polarizáció (ütközési pontban): e > 80%, e + > 60%

20 ILC: alapelrendezés, 2007 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 20

21 ILC: kettős alagút Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 21

22 gyorsítók paraméterei (E CM = 500 GeV) Parameter Unit GLC TESLA ILC 2007 Luminosity cm 2 s Pulse rate Hz Pulse length µs Bunches per pulse Bunch interval ns Particles per bunch Bunch length at IP mm Beam size at IP (H V) nm Accel. grad. (loaded) MV/m Power consumption MW (linacs) 230 Site length km Cost estimate JPY 495 G EUR 3.1 G USD 4.79 G Additional manpower man-year > Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 22

23 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 23 ILC lehetséges helye, átlagos mélység USA (FNAL) m Japán (hegyláb) m Vizszintes megközelítés CERN 370 m

24 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 24 És a CLIC? Compact LInear Collider, CERN Elképzelés: 150 MV/m E CM = 3 TeV Kétnyalábos gyorsítás: 750 MeV-es nagyáramú, pulzált elektronnyaláb lassításával nyernek vívőhullámot a másodlagos elektronnyaláb 150 MV/m-es gyorsításához. CLIC Test Facility: 2010-re bizonyítani a módszer működését. Utána terv: 100 MV/m E CM = 500 GeV Ilyen térgradiens csak meleg üregekkel 2009, új főig.: ILC és CLIC fejlesztési együttműködése hivatalos

25 CLIC elrendezése 3 TeV-re Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 25

26 CLIC elrendezése 500 GeV-re Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 26

27 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 27 ILC cs. CLIC: paraméterek Parameter Unit ILC 2007 CLIC (2007) CLIC (2000) CM energy GeV Luminosity cm 2 s Pulse rate Hz Bunches per pulse Bunch interval ns Particles per bunch Bunch length at IP µm Beam size at IP (H V) nm Accel. grad. (loaded) MV/m Power consumption MW Site length km LEP2: E CM 209 GeV, U = 7.2 MV/m, L cm 2 s 1

28 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 28 Müon-ütköztető? RAL: Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) Cél: neutrínógyár, müonütköztető Ütköztető: szinkrotronos tárológyűrű (M µ 200M e ) (BNL, FNAL, RAL, CERN, intézmény) Elképzelhető paraméterek (Bruce King, BNL, 1997): 15 km kerület; 7 T dipóltér; x = y = 780 nm, z = 1,1 mm nyalábméret; E CM = 10 TeV; E µ /m µ = 47322; L = cm 2 s 1 ; 1, SM-Higgs/év/exp (m = 100 GeV).

29 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 29 A SM érzékenysége Higgs-tömegre SM fitt (minden mérés, 2008): +34 M H = GeV July 2008 Theory uncertainty α had = α (5) ± ± incl. low Q 2 data m Limit = 154 GeV Felső határ (illesztés és elmélet bizonytalansága): M H < 154 GeV (95 % konf.) LEP-keresés: M H > GeV Megengedett régióra normálva: < M H < 185 GeV (95% CL) χ Excluded Preliminary m H [GeV] LEP Elektrogyenge munkacsoport (

30 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 30 Higgs-keltés az LHC-nál g q H g q q _ q W,Z _ q H gluonfúzió vektorbozonfúzió

31 A SM Higgs-bozonjának bomlása Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 31

32 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 32 CMS, H γγ: m H < 140 GeV Jól azonosítható, igen kicsi valószínűségű ( ) Könnyű Higgs-bozonra ez a leghatékonyabb CMS elektromágneses kaloriméterét erre tervezték

33 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 33 H γγ: csak vágásokkal Statisztikus módszerek sokat javítanak (ANN)

34 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 34 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)

35 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 35 Higgs-keltés az ILC-nél Domináns reakciók e + e Ζ * e + e ZH Ζ H e + ν e W _ ν H e + e ννh

36 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 36 ILC-fizika: könnyű Higgs-bozon dσ/de e + e HZ µ + µ reakcióra E CM = 230 és 350 GeV-nél Fontos a változtatható nyalábenergia E CM : GeV!

37 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 37 Terv vagy ábránd? 2004: ICFA ITRP kiválasztja TESLA technológiát ILC-re. Megalakul a Global Design Effort (GDE): USA, Japán, Európa. USA vezető, mindenki biztosra veszi, hogy USA-ban épül meg, FNAL a legnagyobb esélyes. Európában fő mozgató D, UK, F. CERN fél, hogy elveszti a vezető szerepet, CLIC-et próbálja ILC elé helyezni aug: Elkészül a Reference Design Report pontos tervekkel nov: ILC CLIC közös konferencia, innen (nem-hivatalos) együttműködés.

38 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 38 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 jan: Új DG CERN-ben, Rolf Heuer, néhai TESLA-fejlesztő a DESY-ből. CERN-csoportot alakít LC-detektor fejlesztésére. ILC fejlesztése: CERN-FNAL-KEK központokban. Hivatalos ILC CLIC együttműködés dec: Conceptual Design Report ILC-hez. ILC vagy CLIC LHC eredményeitől függ: mekkora energia kell. Ha 1 TeV fölötti, csak CLIC. Döntés ben.

39 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 39

40 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, febr. 18. p. 40 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA T046095, NK67974, K72172, H07C EU FP6 MC-ToK és III Megértő együttműködő partnereink