Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 1 ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE részecskefizikai szeminárium, 2009. febr. 18. Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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: http://www.linearcollider.org/
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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 10 6 10 3 Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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 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, megerősítve a Standard modellt Ha LHC új fizikát (Higgs, SUSY,...) talál, rá kell hangolni e + e ütköztetőt és megmérni a tulajdonságait.
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 5 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: 1989 2000 LHC: 2009
nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 6
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 7 A Standard Modell diadalútja Measurement Fit O meas O fit /σ meas 0 1 2 3 α (5) had (m Z ) 0.02758 ± 0.00035 0.02767 m Z [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1875 Γ Z [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4958 σ 0 had [nb] 41.540 ± 0.037 41.478 R l 20.767 ± 0.025 20.743 A 0,l fb 0.01714 ± 0.00095 0.01644 A l (P τ ) 0.1465 ± 0.0032 0.1481 R b 0.21629 ± 0.00066 0.21582 R c 0.1721 ± 0.0030 0.1722 A 0,b fb 0.0992 ± 0.0016 0.1038 A 0,c fb 0.0707 ± 0.0035 0.0742 A b 0.923 ± 0.020 0.935 A c 0.670 ± 0.027 0.668 A l (SLD) 0.1513 ± 0.0021 0.1481 sin 2 θ lept eff (Q fb ) 0.2324 ± 0.0012 0.2314 m W [GeV] 80.399 ± 0.025 80.376 Γ W [GeV] 2.098 ± 0.048 2.092 m t [GeV] 172.4 ± 1.2 172.5 July 2008 0 1 2 3 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: http://lepewwg.web.cern.ch/
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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) > 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.
Modellek a SM-en túl (SUSY!) Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 9
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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 ) 4 10 13 A LEP volt az utolsó nagy elektron-szinkrotron, 100 GeV fölötti elektronhoz lineáris gyorsító kell
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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.
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 12 Versengő 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, E CM = 0,5 1,25 TeV, ütközési szög: Θ = 7 mrad. DESY: TESLA (Tera-eV Energy Superconducting Linear Accelerator), 1993-2001 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), 1996-2002 Cu üregek: 11,4 GHz, 70/50 MV/m, 500 GeV - 1 TeV, Θ = 20 mrad GLC+NLC egyesülés, 2002
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 13 NLC/JLC terve, 2002 Damping ring: emittancia csökkentése (10 5 ), kis emittanciájú nyaláb tárolása és időzített kivezérlése.
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 14 TESLA terve, 2003 XFEL: E e = 20 GeV, I e = 5 ma, f = 10 Hz, csomaghossz = 80 fs
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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.
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, 2009. febr. 18. p. 16
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 17 DESY TTF FLASH Free electron LASer in Hamburg Tesztpadnak épült, felhasználói berendezés lett
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 18 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 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
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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%
ILC: alapelrendezés, 2007 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 20
ILC: kettős alagút Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 21
gyorsítók paraméterei (E CM = 500 GeV) Parameter Unit GLC TESLA ILC 2007 Luminosity 10 34 cm 2 s 1 2.5 3.4 2.0 Pulse rate Hz 150 5 5 Pulse length µs 1.59 950 1000 Bunches per pulse 192 2820 2625 Bunch interval ns 1.4 337 369 Particles per bunch 7.5 10 9 2 10 10 2 10 10 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 Accel. grad. (loaded) MV/m 50 23.4 31.5 Power consumption MW 215 97 (linacs) 230 Site length km 32 33 31 Cost estimate JPY 495 G EUR 3.1 G USD 4.79 G Additional manpower man-year >800 6933 12000 Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 22
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 23 ILC lehetséges helye, átlagos mélység USA (FNAL) 30 100 m Japán (hegyláb) 40 600 m Vizszintes megközelítés CERN 370 m
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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
CLIC elrendezése 3 TeV-re Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 25
CLIC elrendezése 500 GeV-re Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 26
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 27 ILC cs. CLIC: paraméterek Parameter Unit ILC 2007 CLIC (2007) CLIC (2000) CM energy GeV 500 500 3000 Luminosity 10 34 cm 2 s 1 2.0 2.3 10.0 Pulse rate Hz 5 50 100 Bunches per pulse 2625 354 154 Bunch interval ns 369 0.666 Particles per bunch 2 10 10 6.8 10 9 4.0 10 9 Bunch length at IP µm 300 72 30 Beam size at IP (H V) nm 640 5.7 243 3 43 1 Accel. grad. (loaded) MV/m 31.5 80 150 Power consumption MW 230 130 300 Site length km 31 12.8 27.5 LEP2: E CM 209 GeV, U = 7.2 MV/m, L 10 32 cm 2 s 1
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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,... 47 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 = 10 36 cm 2 s 1 ; 1,4 10 7 SM-Higgs/év/exp (m = 100 GeV).
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 29 A SM érzékenysége Higgs-tömegre SM fitt (minden mérés, 2008): +34 M H = 84 26 GeV 6 5 4 July 2008 Theory uncertainty α had = α (5) 0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 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 > 114.4 GeV Megengedett régióra normálva: 114.4 < M H < 185 GeV (95% CL) χ 2 3 2 1 Excluded Preliminary 0 30 100 300 m H [GeV] LEP Elektrogyenge munkacsoport (http://lepewwg.web.cern.ch/)
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 30 Higgs-keltés az LHC-nál g q H g q q _ q W,Z _ q H gluonfúzió vektorbozonfúzió
A SM Higgs-bozonjának bomlása Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 31
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 32 CMS, H γγ: m H < 140 GeV Jól azonosítható, igen kicsi valószínűségű (2 10 3 ) Könnyű Higgs-bozonra ez a leghatékonyabb CMS elektromágneses kaloriméterét erre tervezték
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 33 H γγ: csak vágásokkal Statisztikus módszerek sokat javítanak (ANN)
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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)
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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 : 200 500 GeV!
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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. 2007 aug: Elkészül a Reference Design Report pontos tervekkel. 2007 nov: ILC CLIC közös konferencia, innen (nem-hivatalos) együttműködés.
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. 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. 2009 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. 2009 dec: Conceptual Design Report ILC-hez. ILC vagy CLIC LHC eredményeitől függ: mekkora energia kell. Ha 1 TeV fölötti, csak CLIC. Döntés 2010-12-ben.
Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 39
Horváth Dezső: ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd? ELTE, 2009. febr. 18. p. 40 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA T046095, NK67974, K72172, H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és III 031688 Megértő együttműködő partnereink