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Ties Behnke, DESY Hamburg11-12-2001

TESLA: Das Projekt

Warum TESLA

Der TESLA Detektor

Die TPC für TESLA

TESLA: Eine TPC voller Präzision

Ties Behnke: Die TPC bei TESLAAachen, 11.12.2001 2

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

Ties Behnke: Die TPC bei TESLA3Aachen, 11.12.2001

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


TESLA in der Nähe von Hamburg TESLA in der Nähe von Hamburg


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


TESLA Layout TESLA Layout

TESLA collider layout:

DESY Westerhorn

TESLA tunnel: Durchmesser 5.20 m


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


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


TESLA Parameter TESLA Parameter

TESLA 500 GeV Parameter TESLA 800 GeV Parameter


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


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


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!


Ein Detektor für TESLA Ein Detektor für TESLA

Ansicht des für TESLA vorgeschlagenen Detektors

tracking system

coilcalorimeter

ECFA-DESY linear colliderstudy


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


Kalorimetrie Kalorimetrie

Kalorimeter bei E>500 GeV spielt wichtige Rolle TESLA Konzept:

Präzisions, "tracking" KalorimeterW Absorber, SI Sensoren (1x1 cm pad)2


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!


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


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


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


Vertex Detektor Vertex Detektor

Isometrische Ansicht der CCD Option

inner radius: 15mm


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


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


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


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


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)


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!


Das TDR TPC Konzept IIDas TDR TPC Konzept II

Einige erste Ideen über die Realisierung einer TPC mit GEMs

Ein GEM Tower

Endplatte


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


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:


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?


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:


Chevron Pads Chevron Pads

Ein möglicher Ansatz: "Chevron" PadsVerteilen der Ladung auf mehrere PadsBessere Auflösungen sind möglich mit endlich vielen Pads

Ergebnisse der Simulation:


Andere Ansätze Andere Ansätze

Nachweis induzierter Pulse (Carlton, Canada)kleine induzierte Pulse werden nachgewiesen

Widerstandslage zur Verteilung der Ladung:

Probleme: Material der Zwischenlage?StabilitätDoppelhitauflösungSignalhöhe


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


Die Endplatte Die Endplatte

Aufbau: doppel GEM System2x6 mm PAD's Modularer Aufbau"einfacher" Austausch von GEMS und PADS möglichkein Magnetfeld (im Moment)


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!


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)


Spurrekonstruktion Spurrekonstruktion

Spurrekonstruktion undSpurfit implemented

voller Cluster finding Algorithmus


Punktauflösungen: Punktauflösungen:

Residuen relativ zur angepassten Spur:

Residuen als Funktion der Driftlänge

Vorsicht: alle Messungen ohne externesmagnetisches Feld!


Auflösungen gegen Spurwinkel Auflösungen gegen Spurwinkel

Definition der Spurwinkel

Auflösung als Funktion der Spurwinkel:

Vorsicht: alle Messungen ohne externesmagnetisches Feld!


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


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


Erste Ergebnisse Erste Ergebnisse

Fe-55 Signal: Test Messungen: Verstärkung

Energieauflösung des Photo-peaks

ca 12%


Messung des Ionen Rückflusses Messung des Ionen Rückflusses

Einzelstrommessungen

Erste Ergebnisse der IonenrückflussMessung:

Gesamtstrom=Null!


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


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


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


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


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

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