Gelecek Nesil Parçacık Hızlandırıcıları

Gelecek Nesil Parçacık Çarpıştırıcıları
S. Sultansoy
I.Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları Yaz Okulu, 04.07.2005
Enerji Ön Cephesi
CLIC-LHC Interface
Parçacık Fabrikaları
“Gelecek Nesil Parçacık Çarpıştırıcıları” konusu (ve
grubumuzun bu konuda yaptığı araştırmalar) ilk bakışta ülkemiz
için bir “lux” gibi gözükebilir. Ama,
TESLA*HERA projesi sayesinde DESY’nin kapıları ülkemize
açıldı: TTF-FEL’in 2005 yılında, PETRA-3 SI kaynağının
2007 yılında ve TESLA-FEL’in 2012 yılında çalıştırılmasıyla
DESY hızlandırıcıların Bilim ve Teknolojinin birçok alanında
kullanılacağı en ileri uluslararası merkez olacaktır !!
CLIC*LHC önerisi sayesinde CERN hızlandırıcı fizikçileri ile
ortak çalışmalara başladık. Ortak projemiz QCD Explorer’in
2010’lu yıllarda kurulma ihtimali yükselmektedir !!
DPT desteği ile yürüttüğümüz Türk Hızlandırıcı Kompleksi
(TAC) çerçevesinde incelediğimiz linak-halka tipli parçacık
fabrikaları sayesinde ülkemizde hızlandırıcılar alanında ilk
doktora tezi savunuldu.
Parçacık Çarpıştırıcıları
Çarpışan demetler:
Hadron Çarpıştırıcıları
Lepton Çarpıştırıcıları
Lepton-Hadron Çarpıştırıcıları
Hızlandırıcı Tipleri:
Halka-Halka → Hadron enerji ön cephesi (+ µµ?, µp??)
Linak-Linak → Lepton enerji ön cephesi
Linak-Halka → Lepton-hadron enerji ön cephesi
Enerji ön cephesi parton düzeyinde TeV skalası demektir. 20.Yüzyılda ulaşılan:
LEP (ee) – 0.2 TeV;
HERA (ep) – 0.2 TeV;
Tevatron (pp) – 0.6 TeV
ENERJİ ÖN CEPHESİ
Hadron çarpıştırıcıları
Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları
Müon çarpıştırıcıları
Lepton-hadron çarpıitırıcıları
LHC, LC ve LC*LHC karşılaştırması
Gelecek nesil çarpıştırıcıların ana amacı alt-süreç düzeyinde TeV skalasına
ulaşmaktır. Bugüne kadar yapılmış olan yüzlerce deney Standart Modelin
(SM = elektrozayıf teori + kuantum renk dinamiği) 100 GeV skalasına kadar
geçerli olduğunu ispatlamıştır.
Öte yandan SM düzeyinde temel parçacık sayısının çokluğu (en azından 6
lepton, 3×6 kuark ve bunların anti-parçacıkları, foton, W+ bozon, W- bozon,
Z bozon, 8 gluon ve Higgs bozonu), çok sayıda serbest parametrenin
mevcutluğu (kütleler, karışımlar ve etkileşme sabitleri) ve diğer nedenlerden
dolayı Standart Modelin son aşama olmadığı, en azından bir yeni yapı
düzeyi (preonlar?) olması gerektiğini göstermektedir.
Bu yeni düzeye doğrudan uluşabilmemiz için bugün elde ettiğimiz enerjilerin
üzerine çıkmak zorundayız.
Alt-süreç düzeyinde TeV skalasına ulaşmanın dört yolu vardır:
Halka tipli hadron çarpıştırıcıları
Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları
Halka tipli müon çarpıştırıcıları
Linak-halka tipli lepton-hadron çarpıştırıcıları.
1997 yılında geçerli olan bu sıralamada bugün önemli bir değişiklik
gözleniyor: 4.sırada olan linak-halka tipli çarpıştırıcılar 2.sıraya taliptir.
Yine de tutucu davranıp eski sıralamayı takip edelim.
Hadron çarpıştırıcıları
Bugün ulaşılan en yüksek enerji FNAL (ABD)’da çalıştırılan
Tevatron’da elde edilmiştir. Burada 1 TeV enerjili protonlarla
anti-protonlar çarpıştırılmaktadır: kütle merkezi enerjisi √s = 2
TeV ve ışınlık L = 1031 cm-2 s-1 dir.
Protonların kuark ve gluonlardan oluştuğunu göz önünde
tutarsak alt süreçlerde ulaşılan etkin enerji 300-400 GeV
civarındadır. Bugüne kadar bulunan en ağır temel parçacık –
175 GeV’lik kütleye sahip t-kuark – 90’lı yıllarda Tevatron’da
CDF ve D0 detektörlerinde gözlenmiştir.
Son yıllarda ışınlığın bir mertebe artırılması için yapılan
çalışmalar nedeniyle bu çarpıştırıcı deneysel YEF açısından
devre dışıdır. Kısa süreli olarak ~1032 cm-2 s-1 ışınlık değerinin
elde edilmesine rağmen, deney açısından gereken kararlılık
sağlanamamıştır.
LHC - Büyük Hadron Çarpıştırıcısı
2007 yılında çalıstırılması planlanan LHC’de proton-proton ve
çekirdek-çekirdek çarpışmalarında alt-süreç düzeyinde ilk defa
TeV skalasına ulaşılacaktır. Tasarlanan parametreler:
p-p çarpışmaları için √s = 14 TeV ve L = 1034 cm-2 s-1,
Pb-Pb çarpışmaları için √s = 1148 TeV (nükleon düzeyinde
5.52 TeV) ve L = 1027 cm-2 s-1 dir.
Proton-proton çarpışmalarının incelenmesine yönelik iki büyük
detektörün, ATLAS ve CMS, yapımı tamamlanmak üzeredir.
Burada öncelikli amaç Higgs bozonun (zayıf etkileşmeleri
taşıyan ara bozonlara ve temel fermiyonlara kütle sağlayan
Higgs mekanizmasının ön gördüğü skalar parçacık)
bulunmasıdır.
Eğer Standart Model doğru ise ve Higgs bozonun “görünmez”
bozunum modlarının baskın olması gibi özel durumlar söz
konusu değilse, bu parçacık LHC’nin ilk çalışma yılında
gözlenecektir.
Aynı durum 4.SM ailesi kuarkları için de geçerlidir (konu ile
ilgili ATLAS Physics TDR’da Türk grubunca yazılan bir bölüm
mevcuttur).
Alt-süreç düzeyinde TeV skalası inceleneceğine göre yeni (SM
ötesi) fizik ile ilgili – kompozitlik, süpersimetri, yeni uzay-zaman
boyutları gibi – bulgular elde edilmesi olasılılığı yüksektir.
Çekirdek-çekirdek çarpışmalarına yönelik ALICE detektörünün
amacı evrenin ilk anlarında mevcut olan kuark-gluon plazma
durumunun elde edilmesi ve incelenmesidir.
Bu konuda ilk belirtiler yakın zamanda RHIC (Göreli Ağır İyon
Çarpıştırıcısı, BNL, ABD)’te elde edilmiştir.
Çekirdek enerjileri ~30 kat daha yüksek olacağından dolayı
LHC kuark-gluon plazmasının detaylı incelenmesine imkan
sağlayacaktır.
VLHC – Çok Büyük Hadron Çarpıştırıcısı
Hadron çarpıştırıcılarında bir sonraki adım olarak düşünülen
VLHC tasarım aşamasındadır. Bu konuda ABD basta olmak
üzere bir çok gelişmiş ülkede çalışmalar yapılmaktadır.
Kütle merkezi enerjisi 200 TeV olacak bu proton-proton
çarpıştırıcısının 2010’lu yılların sonunda kurulacağı
öngörülebilir.
VLHC, konvansiyonel hızlandırıcı teknolojileri ile ulaşılabilecek
enerjilerin üst sınırını temsil ediyor.
Bu çarpıştırıcının fizik araştırma programı LHC’den alınacak
sonuçlar doğrultusunda daha belirgin hale gelecektir.
Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları
Sinkrotron ışınımından dolayı oluşan enerji kayıpları elektron-pozitron
çarpışmalarında enerji ön cephesi olarak lineer hızlandırıcıları tek seçenek
kılmaktadır. Örneğin, ~27 km’lik LEP halkasında 100 GeV’lik elektronlar her
dönüşümde ~2 GeV enerji kaybına uğruyordu ve sinkrotron ışınımı kayıpları
elektron enerjisinin 4.mertebesi ile orantılıdır.
Lineer çarpıştırıcıların bir önemli avantajı da, lazer fotonlarının ultrarelativistik elektron demetinden Compton geri-saçılması ile elde edilen
yüksek enerjili foton demetleri bazında foton çarpıştırıcıları kurma imkanıdır.
ICFA, ECFA ve ACFA 0.5 TeV’lik kütle merkezi enerjisine sahip olacak
lineer elektron-pozitron çarpıştırıcısının en geç 2015 yılında çalıştırılmasının
gerekliliği konusunda mutabakata varmışlardır.
Bugün iki ana teknoloji üzerinde duruluyor: Niobium bazında super iletken
rezonatörlerin kullanılması (TESLA) ve bakır bazında normal iletken
rezonatörlerin kullanılması (JLC/NLC).
Birinci teknolojinin avantajı enerjinin daha etkin harcanması, ikinci
teknolojinin avantajı ~2 kat daha yüksek hızlandırma gradyanına (dolayısıyla
daha kısa aktif uzunluğa) sahip olmasıdır.
Hızlandırma gradyanı açısından CERN’de geliştirilmekte olan CLIC
teknolojisi çok daha ileri düzeydedir: 150÷180 MeV/m.
TESLA
TeV Enerjili Süperiletken Lineer Hızlandırıcı (TESLA) projesi lineer elektronpozitron çarpıştırıcıları arasında en gelişmişidir. TESLA teknolojisi ile 35
MeV/m hızlandırma gradyanı bir kaç yıl bundan önce DESY’de elde
edilmiştir. TESLA’nın birinci aşaması √s = 0.5 TeV ve L = 1034 cm-2 s-1 sahip
elektron-pozitron çarpıştırıcısı ile benzer parametrelere sahip γe ve γγ
çarpıştırıcılarını kapsamaktadır. Bir sonraki aşamada elektron ve pozitron
demetlerinin enerjisinin 250 GeV’den 400 GeV’e çıkarılması öngörülüyor.
TESLA projesinin uygulamalı araştırmalara yönelik TESLA X-FEL kısmı
Alman hükümeti tarafından kesin kabul edilmiş ve 2012 yılında
tamamlanarak bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında eşsiz imkanlar
sunacaktır. TESLA teknolojisini geliştirmek amacıyla kurulan TTF (Tesla
Test Facility) bazında kurulan VUV-FEL 2005 yılından itibaren kullanıcılara
hizmet verecektir.
JLC/NLC
Japonya’da geliştirilen Japon Lineer Çarpıştırıcısı (JLC) ve ABD’de
geliştirilen Bir sonraki Lineer Çarpıştırıcı (NLC) projelerinin birleştirilmesi
sonucu oluşan JLC/NLC’in birinci aşaması TESLA ile aynıdır. İkinci
aşamada ise kütle merkezi enerjisinin 1 TeV’e çıkarılması planlanmaktadır.
CLIC
CLIC projesi iki-demetli hızlandırıcı şemasını baz alıyor: düşük-enerjili
yüksek-akılı demetten alınan güç ana linaka doğrudan aktarılarak yüksekenerjili düşük-akılı ana demetin hızlandırılması için kullanılıyor.
CLIC’in tasarım parametreleri √s = 3 TeV ve L = 1035 cm-2 s-1 elde etmek için
ayarlanmıştır. CLIC’in aşamaları için:
birinci aşama √s = 0.1÷0.5 TeV ve L = 1033-34 cm-2 s-1,
ikinci aşama √s = 1 TeV ve L = 3·1034 cm-2 s-1,
üçüncü aşama √s = 3 TeV ve L = 1035 cm-2 s-1
ve son aşama olarak √s = 5 TeV ve L = 3·1035 cm-2 s-1
düşünülmektedir.
Müon çarpıştırıcıları
1970’lerde önerilen müon çarpıştırıcıları konusunda 1990’lı yılların ikinci yarısında
epeyce canlanma oldu.
Fakat müon demetinin soğutulması başta olmakla bir sıra çözülememiş teknik
problemin mevcutluğundan dolayı müon hızlandırıcıları alanında esas aktivite nötrino
fabrikalarına yöneldi...
Lepton-Hadron Çarpıştırıcıları
Halka-Halka:
HERA*, e-RHIC* (EPIC* etc), “LEP”-LHC*, e-VLHC*, µp??
Linak-Halka:
THERA*, e-RHIC*, QCD Explorer, “NLC”-LHC, CLIC-VLHC
+ γ opsiyonları
Linak-Linak:
TESLA, GLC, CLIC
+ γ opsiyonları
Altcizgi √s > 1 TeV olduğunu gösteriyor
* Snowmass 2001 Working Group M5 on Lepton-Hadron Colliders
“NLC” 0.5 TeV kütle merkezi enerjisine sahip lineer çarpıştırıcı
Lepton-hadron çarpışmalarının maddenin derinlemesine araştırılmasında
çok önemli bir rol oynadığı bilinmektedir:
Kuark-parton modeli elektron-nükleon saçılmasının incelenmesinden ortaya
çıkmıştır.
HERA sabit hedef deneylerine göre kinematik bölgenin büyük Q2 ve küçük
xg’in her ikisinde de iki mertebe daha öteye kadar uzandığı yeni bir dönem
açmıştır.
Bununla birlikte, parton yoğunluğu doyumunun ortaya çıkacağı, yeterince
küçük xg ve eş zamanlı olarak yüksek Q2 bölgesi bugün için ulaşılmış
değildir.
Aşırı küçük xg fakat yeterince büyük Q2’de fizik olaylarının araştırılması
çekirdekten partonlara kadar olan tüm seviyelerde kuvvetli etkileşmelerin
doğasının anlamak için çok önemlidir.
Aynı zamanda lepton-hadron çarpıştırıcılarında elde edilen sonuçlar
geleceğin hadron çarpıştırıcılarında fiziğin yeterli derecede açıklanması için
gereklidir.
Bugün, linak-halka tipli çarpıştırıcılar lepton-hadron çarpışmalarında TeV
skalasına ulaşmak için en uygun yol olarak görülmektedir.
20.yüzyılın bilimsel ve teknolojik çehresini belirleyen
Rutherford deneyinden başlayarak maddenin iç yapısını
inceleyen deneylerin çözüm gücünün gelişimi Şekil 1’de
verilmiştir.
Maddenin yapısını araştıran deneylerin çözümleme
gücünün zaman ile gelişmesi
REVIEWS
B.H. Wiik, “Recent Developments in Accelerators”, Plenary Talk at EPS-HEP 93,
p. 739 (22-27 July 1993, Marseille)
S. Sultansoy, “Four Ways to TeV Scale”, Ankara 97 Workshop (9-11 April 1997),
Turk. J. Phys. 22 (1998) 575; hep-ex/0007043
R. Brinkmann et al., “Linac-Ring Type Colliders: Fourth Way to TeV Scale”,
DESY-97-239 (1997); physics/9712023
S. Sultansoy, “The Post-HERA Era: Brief Review of Future Lepton-Hadron and
Photon-Hadron Colliders”, DESY-99-159 (1999); hep-ph/9911417
A.K. Ciftci et al., “A Brief Review of Future Lepton-Hadron and Photon-Hadron
Colliders”, hep-ex/0106082
E. Arik and S. Sultansoy, “Turkish Comments on `Future Perspectives in HEP`”,
hep-ph/0302012
S. Sultansoy, “Linac-Ring Type Colliders: Second Way to TeV Scale”, Talk at
EPS-HEP 03 (17-23 Jul 2003, Aachen, Germany), Eur Phys J C 33, so1, s1064s1066 (2004); hep-ex/0306034
Fizik açısından en önemli iki parametre kütle
merkezi enerjisi ve ışınlıktır.
Kütle merkezi enerjisi (TeV)
Çarpıştırıcılar
pp
ee
ep
2010’s
LHC
NLC
NLC*LHC
√s
14
0.5 → 1
3.7 → 5.3
2020’s
VLHC
CLIC
CLIC*VLHC
√s
200
3→5
34 → 46
Böylece, kritik nokta ışınlıktır !
ep/ee
≈6
≈10
Ek opsiyonlar: γp, eA, γA and FEL γA
γp opsiyonu
A.K. Ciftci et al., Nucl. Instrum. Meth. A 365 (1995) 317
eA opsiyonu
Z.Z. Aydin et al., ICHEP 96, p.1752
γA opsiyonu
A.K. Ciftci, S. Sultansoy and O. Yavas, NIM A 472 (2001) 72
FEL γA opsiyonu
H. Aktas et al., NIM A 428 (1999) 271
Ana problemler
Bunch (banç, paketçik) aralıkları farklıdır: JLC/NLC ve CLIC de
≈ ns, TESLA da ≈ 200 ns, LHC de ≈ 25 ns
Düşük çarpışma frekansı
Demet ebatları farklıdır: nm’ye (elektron demeti) karşı µm
(proton demeti)
Mümkün çözümler: LC (ve/veya PS) banç yapısının
değiştirilmesi, özel e-linak tasarımı, ...
Ana sınırlamalar
Linak’ın demet gücü (~ frep·nb·ne)
Proton banç parlaklığı (np/εp)
Ek olarak, ∆Qp, tIBS gibi parametreler kontrol altında tutulmalıdır
Kısa tariçe
P.L. Csonka and J. Rees, Nucl. Instr. Meth. 96 (1971) 149
D. Berley et al., “e-p Accelerator Subgroup Summary”,
Snowmass 1982, p.303
100 GeV e-linac on SSC, √s = 2.8 TeV, L = 1032 cm-2 s-1
But Pe = 400 MW !
UNK+VLEPP Physics Study Group (1986-1988):
ep option: S. Alekhin et al., IHEP preprint 87-48, Serpukhov 1987
γp option: S. Alekhin et al., Int. J. Mod. Phys. A 6 (1991) 21
see, also, S. F. Sultanov, ICTP preprint IC/89/409, Trieste 1989
M. Tigner, B. Wiik and F. Willeke, 1991 IEEE Particle
Accelerator Conference, p. 2910
“TESLA” on HERA, LHC and SSC
L = 1031-32 cm-2 s-1 with Pe = 60 MW
Ankara group, 1993 –
Ankara Univ & Gazi Univ, see webpage
http://bilge.science.ankara.edu.tr
R. Brinkmann and M. Dohlus, DESY-M-95-11 (1995)
“dynamic focusing”
International Workshop on Linac-Ring Type ep and γp
Colliders (9-11 April 1997, Ankara)
Proc. in Turk. J. Phys. 22 (1998) 521-775
THERA: Electron-Proton Scattering at √s ≈ 1 TeV
H. Abramowicz et al., in TESLA TDR, v. 6, DESY-01-011,
Mar 2001, 62 pp.
The THERA Book, Eds. U. Katz, A. Levy, M. Klein and S.
Schlendstedt, DESY-01-123, Dec 2001, 415 pp.
THERA Webpage
www.ifh.de/thera
TESLA on HERA:
L ≈ 1031 cm-2 s-1
0.25 TeV × 1.0 TeV
0.4 TeV × 0.4 TeV
0.8 TeV × 0.8 TeV
LHC and VLHC based ep colliders: e-ring vs e-linac
Y. Islamzade, H. Karadeniz, S. Sultansoy
LHC based (hep-ex/0207013)
Comparison of LEP*LHC with the same energy Linac*LHC
Ee = 67.3 GeV and Ep = 7 TeV for both options
L = 1.2·1032 cm-2 s-1 for LEP*LHC (E. Keil, LHC Project Report 93, CERN, 1997)
vs L ≈ 1032 cm-2 s-1 for Linac*LHC with Pe ≈ 34.5 MW (which correspond to
synchrotron radiation power at LEP)
0.5 km “CLIC” or 2 km “TESLA” vs 27 km “LEP”
VLHC based (hep-ex/0204034)
Ee = 180 GeV, Ep = 50 TeV and L = 1.4·1032 cm-2 s-1 for ring option (J. Norem
and T. Sen, FERMILAB-PUB-99/347, 1999)
Ee = 250 GeV, Ep = 50 TeV and L = 3·1032 cm-2 s-1 for linac option
Instead of constructing a 530 km e-ring in VLHC tunnel it seems more wise
to construct a 2 km (10 km) e-linac with the same ep parameters
QCD Explorer
21.08.2002 First Meeting on CLIC*LHC Interface
Participants:
A. De Roeck, G. Guignard, D. Schulte, I. Wilson (CERN)
O. Cakir, S.A. Cetin, S. Sultansoy (Turkiye)
14.08.2003 Second Meeting on CLIC*LHC Interface
Participants:
A. De Roeck, G. Guignard, D. Schulte, I. Wilson,
F. Zimmermann (CERN)
E. Arik, O. Cakir, A.K. Ciftci, R. Ciftci, H. Koru, E. Recepoglu,
S. Sultansoy (Turkiye)
Ee = 70 GeV, Ep =7 TeV and √s = 1.4 TeV
With nominal parameters of CLIC and LHC beams:
L = 1028 cm-2 s-1
Even with this low luminosity, QCD Explorer
will provide unique information which will be crucial for
adequate interpretation of the LHC data
The region of extremely small xg = 10-5- 10-6 at
sufficiently high Q2 = 1-10 GeV2 will be explored. This
region is crucial for the understanding of QCD
dynamics
With appropriate upgrades of CLIC and LHC beams, a
luminosity of 1031 cm-2 s-1 and even 1032 cm-2 s-1
(optimistic scenario) may be achievable
SM Physics Example
The importance of small xg region (at sufficiently Q2 ~ 10 GeV2)
exploration for strong interactions corresponds to the
importance of the Higgs boson search for electro-weak
interactions !!!
1. Fixed Target
2. HERA
3. e-RHIC
4. THERA
5. QCD Explorer
6. NLC*LHC
7. CLIC*VLHC
xg
10-2
10-4
10-3
10-5
10-5
10-6
10-7
Detector cuts
10-3
?
10-4
?
?
?
Low xg via ep → Q(bar)+Q+X (Q = c, b) at future ep colliders
Advantage of the γp option
LHC, LC ve LC*LHC Karşılaştırması
“Second Way to TeV Scale”
Çarpıştırıcılar
Hadron
Lepton
Lepton-Hadron
2010’s
LHC
“NLC”
“NLC”×LHC
√s, TeV
14
0.5
3.7
L, 1031 cm-2 s-1
103
103
1-10
2020’s
VLHC
CLIC
“CLIC”×VLHC
√s, TeV
200
3
34
L, 1031 cm-2 s-1
103
103
10-100
Physics targets and achievable limits (following
U. Amaldi in CERN 87-07, pp. 323-352)
“Comparing the physics potentialities of two* accelerators is a
formidable task for at least three obvious reasons:
i) the unknown cannot be predicted;
ii) even after having agreed on a list of ‘expected’ new
phenomena, the relative importance is subjective;
iii) tomorrow’s discovery may completely modify the
‘relevance’ weights given to selected phenomena”
* LHC (including LEP*LHC option) and CLIC
Summary of discovery limits for 12 different processes*
1987
→
2003
pp
√s= 16 TeV, L= 1033 cm-2 s-1
→
√s= 14 TeV, L= 1034 cm-2 s-1
e+e–
√s= 2 TeV, L= (4) 1033 cm-2 s-1
→
√s= 0.5 TeV, L= 1034 cm-2 s-1
ep
√s= 1.5 TeV, L= 1032 cm-2 s-1
→
√s= 3.7 TeV, L= 1032 cm-2 s-1
+ γp option !!
* Two principal additions during last years:
extra dimensions (serious)
infinite number of SUGRA points (curious)
1,2
Discovery limits in TeV
(rescaled from U. Amaldi 87)
1
0,8
0,6
LHC
Linac*LHC
0.5 TeV LC
0,4
0,2
0
Neutral H
Charged H
Quarks
Leptons
10
4
8
3
6
2
4
1
0
2
0
strong
sparticles
weak
sparticles
leptoquark
sstring Z'
W'
Compos
q*
e*
Recently, the e*→eγ signal and corresponding backgrounds
are studied in details (O. Cakir, A. Yilmaz and S. Sultansoy,
hep-ph/0403307). Results confirm discovery limits given in
previous slide. Namely,
~0.5 TeV for ee, ~2.3 TeV for ep and ~1.9 TeV for pp.
Discovery limits for extra dimensions are approximately:
0.5 √s for pp
7-8 TeV at LHC
10 √s for ee
5 TeV at NLC
2.5 √s for ep
7-8 TeV at NLC*LHC
CLIC-LHC Interface
MINIWORKSHOP ON
MACHINE AND PHYSICS ASPECTS OF CLIC BASED FUTURE COLLIDER OPTIONS
Monday, 30th August 2004 at 9.30 a.m.; PS Auditorium (Building 6 / 2-024)
Programme
S. Sultansoy (9.30-10.00)
General Remarks on the Linac-Ring Type Lepton-Hadron and Photon-Hadron Colliders
M. Corsini (10.00-10.30)
CLIC: Technology, Test Facilities and Future
10.30 – 11.00 Coffee break
D. Schulte (11.00-11.30)
CLIC: Beam Dynamics and Limitations on Main Parameters
A. De Roeck (11.30-12.00)
Some Remarks on Physics Search Potentials of CLIC and LHC
12.00 – 13.30 Lunch
A.K. Ciftci (13.30-14.00)
Excited Quark Production at CLIC*LHC Based ep and Gamma-p Colliders
O. Cakir (14.00-14.30)
The Effetcs of Beam Dynamics on CLIC Physics Potential
14.30 – 15.00 Coffee break
H. Braun (15.00-15.20)
Ion Programme of LHC
O. Yavas (15.20-15.50)
CLIC*LHC Based FEL*Nucleus Collider
15.50-16.10 Discussion and Conclusion
FOREWORD
The aim of this mini-workshop is to discuss different possibilities for
interfacing CLIC with LHC, and to review the physics potential of CLIC and
CLIC-LHC based colliders in detail. After the presentations and following the
discussions the participants agreed on the issues listed below.
1. QCD Explorer
A QCD Explorer (QCD-E) assumes collisions of a 75 GeV electron beam
from CLIC with the proton or nucleus beam from the LHC. It will provide e-p
collisions with a centre of mass energy of 1.4 TeV.
QCD-E (and the corresponding derived γ-p, e-A and γ-A options) will be a
unique instrument for detailed studies of the Quantum Chromo-Dynamics
part of the Standard Model.
It will allow determining Parton Distribution Functions (PDF) in a wide
kinematical region, which will certainly be instrumental and perhaps even
necessary for a full interpretation of the LHC measurements.
The kinematical reach of QCD-E is about an order of magnitude larger than
for HERA. Furthermore QCD-E has a more favourable kinematics for
probing the low-x region than e.g. THERA (TESLA on HERA), thus allowing
for many interesting DIS studies.
However there are a number of issues that need to be clarified.
Machine issues:
It is known that L = 1031 cm-2 s-1 can be achieved with nominal CLIC
parameters for superbunch upgrade of the LHC. In principle, a similar value
seems to be achievable with less radical modifications of both CLIC and
LHC beams. More work is needed on the subject, also for the e-A option.
γ-p and γ-A options (which are unique for linac-ring type lepton-hadron
colliders) essentially extend the physics search potential of QCD-E. The
technical availability of these options need more study keeping in mind the
comparatively low energy of the electron beam. In particular laser
technologies necessary to convert the electron into a photon beam need
more study, capitalizing on the recent technology developments for photon
colliders.
Physics issues:
The potential of QCD-E to study small xg region should be investigated in
detail taking into account main detector cuts, especially for the γ-A option
which seems to be most promising to reach the saturation region.
The impact of the QCD-E on the LHC results to reduce the systematic errors
coming from uncertainties in PDF should be quantified.
2. Energy Frontier
The Energy Frontier assumes collisions of a 0.5 TeV electron beam from
CLIC with the proton or nucleus beam from the LHC.
It will provide e-p collisions with a centre of mass energy of 3.74 TeV.
The discovery reach for New Physics of this machine is potentially much
larger than that of 0.5 TeV e+-e− linear colliders and, with the electron beam
being polarized it is complementary to that of the LHC.
Note that e-p collisions are generally much cleaner than hadron collisions.
The open issues here are:
a) The luminosity of the e-p and e-A options has to be investigated in detail.
b) The availability of γ-p and γ-A options should be demonstrated.
c) A detailed comparison of the LHC, 0.5 TeV LC and ‘LC’-LHC potential for
New Physics searches should be made for different phenomena.
Similar studies should be conducted for a 1.5 TeV CLIC beam resulting in ep
collisions with a 6.48 TeV center of mass energy.
3. FELγ - A collider
FELγ-A collider assumes collision of a FEL beam, provided by the CLIC
drive beam, with nuclei beam from LHC.
This machine, which satisfies all requirements for an ideal Nuclear Resonant
Fluorescence (NRF) source for nuclear spectroscopy, utilises the high boost
of the LHC nuclei beam.
Detailed studies are required in the following topics:
The possibility for tuning the energy of the FEL photons and/or LHC nuclei
has to be understood in order to scan for nuclear resonances.
Adding various nuclei to the ion programme of LHC should be studied.
This option should be actively promoted in the nuclear physics community to
establish a scientific base.
The potential for other scientific and technological applications of the FEL
beam has to be investigated.
4. CLIC
The investigation of the physics search potential of the CLIC
has to be concentrated on the ≥ 1 TeV stages. The effects of
beam dynamics to optimize further the search potential should
be studied in detail, in particular for different resonances in the
e+-e−, γ-e, γ-γ and e−-e− collisions.
Additionally there are a number of physics topics which have
been addressed in the physics study summary report CERN2004-005 which need more detailed studies, and other, new
physics scenarios that have emerged recently could be studied
as well.
A. De Roeck and S. Sultansoy for the participants
Parçacık Fabrikaları
Parçacık fabrikaların amacı belli parçacıkları çok sayıda
üreterek Standart Modelin öngörülerini test etmekle çeşitli
parametreleri olduğunca dakik ölçmek ve SM ötesi modellerin
belirtilerini aramaktır.
Parçacık fiziği ve Evrenin oluşumu açısından madde-antimadde
simetrisinin (CP) ihlali mekanizması çok büyük öneme sahiptir.
Bilindiği gibi CP simetrisinin ihlali ilk kez nötr K mezonların
bozunumunda gözlenmiştir. Son yıllarda bu fenomen B
fabrikalarında da gözlendi.
Parçacık fabrikaları iki kısma ayrılabilir: yüksek ışınlığa sahip
elektron-pozitron çarpıştırıcıları ve konumuzun dışında kalan
durğun hedeften alınan ikincil demetler (ν fabrikası, µ fabrikası
gibi).
DAΦNE ve TAC
DAΦNE (Fraskati, İtalya) en düşük kütle merkezi enerjisine
sahip (√s ≈ mφ ≈ 1020 MeV) parçacık fabrikasıdır. Standart
halka-halka tipli bu çarpıştırıcının tasarlanmış ışınım değeri L
= 5·1032 cm-2 s-1 olmasına rağmen iki yıl çalışmadan sonra
elde edilmiş değer L = 0.75·1032 cm-2 s-1 dir.
Türk Hızlandırıcı Kompleksi (TAC) çerçevesinde önerdiğimiz
linak-halka tipli φ fabrikası ulaşılabilir ışınlık değeri açısından,
L = 1034 cm-2 s-1, çok daha avantajlı gözüküyor.
TAC φ fabrikasının diğer bir avantajı asimetrik kinematiktir.
φ’nin ana bozunum modları K+ + K- ve KL + KS olduğundan φ
fabrikaları “acayip” fiziğin, özellikle CP ihlali ve nadir
bozunumların detaylı incelenmesine imkan sağlıyor.
c-τ fabrikaları
TAC projesinde önerilen bir sonraki aşama L = 1034 cm-2 s-1
sahip charm (√s ≈ mΨ(3s) ≈ 3770 MeV) ve τ (√s ≈ 4200 MeV)
fabrikalarını içeriyor.
Standart halka-halka tipli c-τ fabrikaları, örneğin, BEPC (Beijin,
Çin) için tasarlanan ışınlık bir mertebe daha düşüktür.
KEK-B, PEP-B ve Super-B
Bugün dünyada L = 1034 cm-2 s-1 sahip iki (halka-halka tipli)
asimetrik B fabrikası çalıştırılmaktadır: KEK-B (Tsukuba,
Japonya) ve PEP-B (Stanford, ABD).
Süper yüksek ışınımlı, L = 1036 cm-2 s-1, halka-halka tipli B
fabrikası ile ilgili tasarım çalışmaları yürütülmektedir.
Giga-Z
Yılda 109 Z bozonu üretecek Giga-Z, TESLA gibi lineer
çarpıştırıcıların bir ön aşaması olarak düşünülür. √s ≈ mZ ≈ 90
GeV bölgesinde elde edilecek ışınlık değeri, L = 1033 cm-2 s-1,
LEP’de ulaşılan değerden 10 kat daha fazladır. Z fabrikası Zbozonun nadir bozunumlarını inceleme imkanı sağlayacaktır.
Top fabrikası
Top fabrikası 0.5 TeV’lik LC’nin √s = 360 GeV değerinde
çalıştırılarak veya VLHC tunelinde elektron-pozitron halkası
kurularak gerçekleştirilebilir. Burada bugüne kadar bulunan en
ağır temel parçacık olan t-kuarkın özellikleri (büyük kütle
değerinden dolayı muhtemel olan anomal etkileşmeler dahil)
detaylı şekilde irdelenecektir.
Sonuç
Son yıllarda Türk bilim adamlarının çeşitli uluslararası
hızlandırıcı projelerine katılması olumlu bir gelişmedir.
THERA projesinde Gazi Ü ve Ankara Ü den 6 kişi,
TESLA Foton Çarpıştırıcısı projesinde GÜ veAÜ den 3 kişi
CLIC projesinde 4 üniversitemizden 7 kişi iştirak
etmektedir.
Linak-halka tipli çarpıştırıcılar konusunda Türk grubu
dünyada lider konumundadır. Bu konuda DESY ve CERN
hızlandırıcı fizikçileri ile ortak çalışmalar yürütülmektedir. Büyük
olasılıkla ilk linak-halka tipli çarpıştırıcıların 2010’lu yıllarda
kurulacaktır. Türk bilim camiasının bu çarpıştırıcılarla ilgili çeşitli
araştırmalara yönelmesi (fizik araştırma potansiyelinin
belirlenmesi, detektör tasarımı gibi) yukarıda belirttiğimiz
liderliğin korunmasına imkan sağlar.