Christian Huygens Trait é de la Lumière, Leiden 1690

1. … und wie die Lichtstrahlen, welche aus unendlich vielen verschiedenen Richtungen herkommen, sich krezuen ohne sich gegenseitig zu hindern Christian Huygens Traité de la Lumière, Leiden 1690

2. Photon – Photon Kollisionen mit TELSA Achim Stahl – Seminar – 3.Mai ’05

3. Photon-Photon Kollisionen • Das TESLA Projekt • -: Physikalische Motivation • -: Technische Realisierung

4. 33 km Tunnel 2 Beschleuniger mit je 15 km 10-30 m unter der Erde Bauzeit ca. 7 Jahre 21024 Resonatoren supraleitend 1 od. 2 Teilchen- physik-Experim. 500 GeV Ecm bis 800 GeV L: 3.4 x 1034 cm-2s-1 Rőntgenlaser 1 bis 0,1 nm 20 Messplätze TESLA bei Hamburg

7. Luminosität 5 Bunch-Züge / Sekunde 2820 Bunche / Zug 2 102 Teilchen / Bunch • Bunch-Grösse: • x: 553 nm • y: 5 nm • z: 300 µm • Raten: • 30 W+W- / min • 1 tt / min • 0.5 H0 / min • 15 Z0 / sec

8. e+  e- e-  e-    e-    T-HERA: e-/e+  p+ TESLA-N: e- Nukleon ELFE: e- Nukleon Flexibilität Polarisation: einstellbar e-: max. 85 % e+: ca. 60 % ? longitudinal transversal? Schwerpunktsenergie: einstellbar von 90 GeV bis 800 GeV Optionen

9. Photon – Photon Kollisionen Physikalische Motivation • Higgs-Boson: • Photon-Kopplung • CP-Eigenschaften • Schwache WW: • 3-Boson-Kopplung • Anomale 4-Boson-Kopplungen • SUSY: • Hohe Ereignisraten • e   ẽ

10. Photon – Photon Kollisionen Physikalische Motivation • Higgs-Boson: • Photon-Kopplung • CP-Eigenschaften • Schwache WW: • 3-Boson-Kopplung • Anomale 4-Boson-Kopplungen • SUSY: • Hohe Ereignisraten • e   ĕ

11. Higgs-Mechanismus • Alle Teilchen sind masselos • Alle Teilchen erscheinen • massebehaftet, durch • Wechselwirkung mit einem • Hintergrundfeld

12. Kräfte: Reichweite und Masse Oberfläche ~ r2  Dichte der Feldquanten ~ ---- 1 r2 1  Kraft ~ ---- r2 bei masselosen Feldquanten Coulomb-Gesetz Gravitationsgesetz

13. Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter =

14. Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter + = 0

15. Massive Photonen in der Supraleitung Meißner – Ochsenfeld Effekt : Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Supraleiter Uminterpretation

16. Massive Bosonen in der Teilchenphysik Masselose Teilchen + Wechselwirkung mit dem Higgsfeld ~ g2 v2

17. Massive Bosonen in der Teilchenphysik Teilchen mit effektiver Masse Uminterpretation

18. Das Higgs-Feld erzeugt Masse durch Wechselwirkung Das Higgs-Boson erscheint selbst

19. Das Hintergrundfeld Oszillator - Potential keine Feldquanten im Vakuum keine Wechselwirkung der Quanten

20. Das Hintergrundfeld Oszillator - Potential Higgs – Potential keine Feldquanten im Vakuum keine Wechselwirkung der Quanten Selbstwechselwirkung Feldquanten erfüllen das Vakuum

21. Vier Fragen: • Existiert ein Higgs-Feld ? • Erfüllt es den ganzen Raum ? • Erzeugt es die Masse der Bosonen ? • Erzeugt es auch die Fermion-Massen ?

22. Zwei starke Partner Higgs-Studium LHC TESLA Higgs-Entdeckung Hohe Präzision Hohe Energie

24. f H0 g ~ mf f Teilchenmassen ~ meV 511 keV ~ 3 MeV ~ 5 MeV ~ meV 105 MeV 120 MeV 1.2 GeV ~ meV 1.8 GeV 4.2 GeV Materie (Fermionen) 175 GeV

25. Higgs-Mechanismus • Teilchen erhalten eine • scheinbare Masse durch • Wechselwirkung mit einem • Hintergrund(Higgs-)feld • Kopplung: Higgs + Teilchen • grosse Koppl. ↔ grosse Masse

26. → Higgs  H0  g = 0

27. f f f f - Wechselwirkung 2-Photon-Streuung    

28. Exp. Nachweiss Hughes & Jauncey 1930 WQ < 3 10-20 cm2 QED ≈ 10-60 cm2

29. f f f f … in agreement with QED … Exp. Nachweiss e- e-  - WW in “2-Photon-Scattering” e+ e+

30. 2-Photon-Streuung  f f f f f f f  hoher WQ aber Ecm > 2 mf - Wechselwirkung 2-Photon-Streuung     4 Vertices  kleiner WQ

31. 2 WQ: f(x) m2 2-Photon-Streuung

32.   W t t H0 H0 W t W okay okay   → Higgs  H0  g = 0

33. -1/3 S -4/3 F + 7 V fi = (für grosse Massen) → Higgs Partielle Zerfallsbreite (H0→ ) = 10-13 mH3|Σiξi Ni ei2 fi|2 (in GeV) ξi: Higgs Mischung Ni: Colour-Faktor ei: el. Ladung Genauigkeit: 2%

34. b b,c b,c b J = 2 J = 0 J = 0 J = 2 → Higgs → bb Ecm = mH Signal H0 H0 Untergrund Photon Polarisation

35. Simulation: 1 Jahr Laufzeit: Sig: 3370 ev. Bgd: 2900 ev. Genauigkeit: 2% möglich

36. 2 2 b b H0 H0 + + b b   H0 H0   Vergleich:

37. Fazit: •  → H0 ist messbar • grosse Sensitivität auf schwere Teilchen • 3 Wege zu höheren Energien: • Hohe Strahlenergien • Hohe Präzision • Verbotene/Unterdrückte Prozesse

38. Zusammenfassung:  sehr interessant • Higgs-Boson: • Photon-Kopplung • CP-Eigenschaften • Schwache WW: • 3-Boson-Kopplung • Anomale 4-Boson-Kopplungen • SUSY: • Hohe Ereignisraten • e   ẽ  ähnlich e+e-  to be done

39. Laser e- e-   Laser Technische Realisierung: -Kollision

40. Compton-Kinematik: Laser Laser: 1μm e-beam: 50…400 GeV e-  e- θ in μrad Ecm in MeV E in GeV 0 200 400 0 10 20 0 1 2 3 0 500 0.1 1 10 0.1 1 10 E in GeV λ in μm λ in μm

41. Photon-Spektrum: Polarisation -1: 0: +1:  e-

42. Ne N A Rate= / BX Compton = 2.5 10-25 cm2 A ≥λ2 Ne = 2 1010 Pulszug 1 ms 2820 Pulse Pulszug 1 ms 2820 Pulse 5 Hz 5 Hz Compton-Rate: = 5 10-7 N → ca. 1 Joule Pulse à 1 psec Leistung: 1 TW / BX 2 MW / Pulszug 1 kW / total

43. Konversionsrate:

44. Photon-Spektrum:

45. Compton-IP:

46. Strahlführung: Electrons Out Electrons Out IP Laser Laser In Laser Out Electrons In Electrons In Querschnitt bei 3.80 m Laser Out Laser In

47. Übersicht: DESY Westerhorn Ellerhoop  Linac Linac e+e- 33 km

48. Laser: ext. Ring-Resonator Ingo Will, MBI Berlin

49. Laserfokus: Spiegel Ø: 80 cm Brennweite: 8 m Fokus Ø: 17 μm 0 = 67 mrad

50. Detektor: