Gelecek Nesil Parçac. Enerji Ön n Cephesi. CLIC-LHC LHC Interface. acık k Fabrikaları. S. Sultansoy. I.Ulusal Parçac

Transkript

1 Gelecek Nesil Parçac acık Çarpıştırıcıları S. Sultansoy I.Ulusal Parçac acık k HızlandH zlandırıcıları Yaz Okulu, Enerji Ön n Cephesi CLIC-LHC LHC Interface Parçac acık k Fabrikaları

2 Gelecek Nesil Parçac acık Çarpıştırıcıları konusu (ve grubumuzun bu konuda yaptığı araştırmalar) rmalar) ilk bakış ışta ülkemiz için in bir lux gibi gözükebilir. g Ama, TESLA*HERA projesi sayesinde DESY nin kapılar ları ülkemize açıldı: : TTF-FEL FEL in 2005 yılında, y PETRA-3 3 SI kaynağı ğının 2007 yılında y ve TESLA-FEL FEL in 2012 yılında y çalıştırılmasıyla DESY hızlandh zlandırıcıların n Bilim ve Teknolojinin birçok alanında nda kullanılaca lacağı en ileri uluslararası merkez olacaktır r!! CLIC*LHC önerisi sayesinde CERN hızlandh zlandırıcı fizikçileri ileri ile ortak çalışmalara başlad ladık. Ortak projemiz QCD Explorer in 2010 lu yıllarda y kurulma ihtimali yükselmektedir y!! DPT desteği ile yürütty ttüğümüz Türk HızlandH zlandırıcı Kompleksi (TAC) çerçevesinde evesinde incelediğimiz imiz linak-halka tipli parçac acık fabrikaları sayesinde ülkemizde hızlandh zlandırıcılar lar alanında nda ilk doktora tezi savunuldu.

3 Parçac acık Çarpıştırıcıları Çarpışan demetler: Hadron Çarpıştırıcıları Lepton Çarpıştırıcıları Lepton-Hadron Çarpıştırıcıları Hızlandırıcı Tipleri: Halka-Halka Hadron enerji ön n cephesi (+ µµ?, µp??) Linak-Linak Lepton enerji ön n cephesi Linak-Halka Lepton-hadron enerji ön n cephesi Enerji ön n cephesi parton düzeyinde d TeV skalası demektir. 20.Yüzy zyılda ulaşı şılan: LEP (ee) 0.2 TeV; HERA (ep) 0.2 TeV; Tevatron (pp) 0.6 TeV

4 ENERJİ ÖN N CEPHESİ Hadron çarpıştırıcıları Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları Müon çarpıştırıcıları Lepton-hadron çarpıitırıcıları LHC, LC ve LC*LHC karşı şılaştırması

5 Gelecek nesil çarpıştırıcıların n ana amacı alt-süre reç düzeyinde TeV skalasına ulaşmakt maktır. Bugüne kadar yapılm lmış olan yüzlerce y deney Standart Modelin (SM = elektrozayıf f teori + kuantum renk dinamiği) i) 100 GeV skalasına kadar geçerli erli olduğunu unu ispatlamış ıştır. Öte yandan SM düzeyinde d temel parçac acık k sayısının çokluğu (en azından 6 lepton, kuark ve bunların n anti-par parçacıkları,, foton, W+ bozon, W-W bozon, Z bozon, 8 gluon ve Higgs bozonu), çok sayıda serbest parametrenin mevcutluğu (kütleler, karışı ışımlar ve etkileşme sabitleri) ve diğer nedenlerden dolayı Standart Modelin son aşama a ama olmadığı ığı,, en azından bir yeni yapı düzeyi (preonlar?) olması gerektiğini ini göstermektedir. g Bu yeni düzeye d doğrudan uluşabilmemiz için i in bugün n elde ettiğimiz imiz enerjilerin üzerine çıkmak kmak zorundayız. z. Alt-süre reç düzeyinde TeV skalasına ulaşman manın n dört d yolu vardır: r: Halka tipli hadron çarpıştırıcıları Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları Halka tipli müon m çarpıştırıcıları Linak-halka tipli lepton-hadron çarpıştırıcıları yılında y geçerli erli olan bu sıralamada s bugün önemli bir değişiklik iklik gözleniyor: 4.sırada olan linak-halka tipli çarpıştırıcılar 2.sıraya taliptir. Yine de tutucu davranıp p eski sıralamays ralamayı takip edelim.

6 Hadron çarpıştırıcıları Bugün n ulaşı şılan en yüksek y enerji FNAL (ABD) da çalıştırılan Tevatron da elde edilmiştir. Burada 1 TeV enerjili protonlarla anti-protonlar çarpıştırılmaktadır: kütle k merkezi enerjisi s s = 2 TeV ve ışınl nlık L = cm -2 s -1 dir. Protonların n kuark ve gluonlardan oluştu tuğunu unu göz g önünde nde tutarsak alt süres reçlerde ulaşı şılan etkin enerji GeV civarındad ndadır. Bugüne kadar bulunan en ağıa ğır r temel parçac acık 175 GeV lik kütleye k sahip t-kuark t 90 lı yıllarda Tevatron da CDF ve D0 detektörlerinde gözlenmig zlenmiştir. Son yıllarda y ışınl nlığın n bir mertebe artırılmas lması için in yapılan çalışmalar nedeniyle bu çarpıştırıcı deneysel YEF açısından a ndan devre dışıd ışıdır. Kısa K süreli s olarak ~10~ 32 cm -2 s -1 ışınl nlık k değerinin erinin elde edilmesine rağmen, deney açısından a gereken kararlılık sağlanamam lanamamıştır.

7 LHC - Büyük k Hadron Çarpıştırıcısı 2007 yılında y çalıstırılması planlanan LHC de proton-proton ve ekirdek-çekirdek çarpışmalarında alt-süre reç düzeyinde ilk defa TeV skalasına ulaşı şılacaktır. Tasarlanan parametreler: p-p çarpışmaları için in s s = 14 TeV ve L = cm -2 s -1, Pb-Pb çarpışmaları için in s s = 1148 TeV (nükleon düzeyinde d 5.52 TeV) ve L = cm -2 s -1 dir. Proton-proton çarpışmalarının n incelenmesine yönelik y iki büyük b detektörün, ATLAS ve CMS, yapımı tamamlanmak üzeredir. Burada öncelikli amaç Higgs bozonun (zayıf f etkileşmeleri taşı şıyan ara bozonlara ve temel fermiyonlara kütle k sağlayan Higgs mekanizmasının ön n gördg rdüğü skalar parçac acık) bulunmasıdır. Eğer Standart Model doğru ise ve Higgs bozonun görünmez bozunum modlarının n baskın n olması gibi özel durumlar söz s konusu değilse, bu parçac acık LHC nin ilk çalışma yılınday gözlenecektir.

8 Aynı durum 4.SM ailesi kuarkları için in de geçerlidir erlidir (konu ile ilgili ATLAS Physics TDR da Türk T grubunca yazılan bir bölüm b mevcuttur). Alt-süre reç düzeyinde TeV skalası inceleneceğine ine göre g yeni (SM ötesi) fizik ile ilgili kompozitlik, süpersimetri, s yeni uzay-zaman zaman boyutları gibi bulgular elde edilmesi olasılılığı ığı yüksektir. Çekirdek-çekirdek çarpışmalarına yönelik y ALICE detektörünün amacı evrenin ilk anlarında nda mevcut olan kuark-gluon plazma durumunun elde edilmesi ve incelenmesidir. Bu konuda ilk belirtiler yakın n zamanda RHIC (Göreli AğıA ğır İyon Çarpıştırıcısı,, BNL, ABD) te elde edilmiştir. Çekirdek enerjileri ~30 kat daha yüksek y olacağı ğından dolayı LHC kuark-gluon plazmasının n detaylı incelenmesine imkan sağlayacakt layacaktır.

9 VLHC Çok Büyük B k Hadron Çarpıştırıcısı Hadron çarpıştırıcılarında bir sonraki adım m olarak düşünülen d VLHC tasarım m aşamasa amasındadır. Bu konuda ABD basta olmak üzere bir çok gelişmi miş ülkede çalışmalar yapılmaktad lmaktadır. Kütle merkezi enerjisi 200 TeV olacak bu proton-proton çarpıştırıcısının n 2010 lu yıllary lların n sonunda kurulacağı öngörülebilir. VLHC, konvansiyonel hızlandh zlandırıcı teknolojileri ile ulaşı şılabilecek enerjilerin üst sınırınıs temsil ediyor. Bu çarpıştırıcının n fizik araştırma rma programı LHC den alınacak sonuçlar doğrultusunda daha belirgin hale gelecektir.

10 Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları Sinkrotron ışınımından ndan dolayı oluşan enerji kayıplar pları elektron-pozitron çarpışmalarında enerji ön n cephesi olarak lineer hızlandh zlandırıcıları tek seçenek enek kılmaktadır. Örneğin, ~27 km lik lik LEP halkasında 100 GeV lik elektronlar her dönüşümde ~2 GeV enerji kaybına uğruyordu u ve sinkrotron ışınımı kayıplar pları elektron enerjisinin 4.mertebesi ile orantılıdır. r. Lineer çarpıştırıcıların n bir önemli avantajı da, lazer fotonlarının n ultra- relativistik elektron demetinden Compton geri-sa saçılması ile elde edilen yüksek enerjili foton demetleri bazında foton çarpıştırıcıları kurma imkanıdır. ICFA, ECFA ve ACFA 0.5 TeV lik kütle k merkezi enerjisine sahip olacak lineer elektron-pozitron çarpıştırıcısının n en geç 2015 yılında y çalıştırılmasının gerekliliği i konusunda mutabakata varmış ışlardır. r. Bugün n iki ana teknoloji üzerinde duruluyor: Niobium bazında super iletken rezonatörlerin rlerin kullanılmas lması (TESLA) ve bakır r bazında normal iletken rezonatörlerin rlerin kullanılmas lması (JLC/NLC). Birinci teknolojinin avantajı enerjinin daha etkin harcanması,, ikinci teknolojinin avantajı ~2 kat daha yüksek y hızlandh zlandırma gradyanına na (dolayısıyla yla daha kısa k aktif uzunluğa) sahip olmasıdır. Hızlandırma gradyanı açısından ndan CERN de geliştirilmekte olan CLIC teknolojisi çok daha ileri düzeydedir: d MeV/m.

11 TESLA TeV Enerjili Süperiletken S Lineer HızlandH zlandırıcı (TESLA) projesi lineer elektron- pozitron çarpıştırıcıları arasında en gelişmi mişidir. idir. TESLA teknolojisi ile 35 MeV/m hızlandh zlandırma gradyanı bir kaç yıl l bundan önce DESY de elde edilmiştir. TESLA nın n birinci aşamasa aması s s = 0.5 TeV ve L = cm -2 s - 1 sahip elektron-pozitron çarpıştırıcısı ile benzer parametrelere sahip γe e ve γγ çarpıştırıcılarını kapsamaktadır. Bir sonraki aşamada a amada elektron ve pozitron demetlerinin enerjisinin 250 GeV den 400 GeV e çıkarılması öngörülüyor. TESLA projesinin uygulamalı araştırmalara rmalara yönelik y TESLA X-FEL X kısmk smı Alman hükümeti h tarafından kesin kabul edilmiş ve 2012 yılında y tamamlanarak bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında nda eşsiz e imkanlar sunacaktır. TESLA teknolojisini geliştirmek amacıyla kurulan TTF (Tesla Test Facility) bazında kurulan VUV-FEL 2005 yılından y itibaren kullanıcılara lara 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 aşamasa aması TESLA ile aynıdır. İkinci kinci aşamada amada ise kütle k merkezi enerjisinin 1 TeV e çıkarılması planlanmaktadır.

12 CLIC CLIC projesi iki-demetli hızlandh zlandırıcı şemasını baz alıyor: düşük-enerjili d yüksek-akılı demetten alınan güçg ana linaka doğrudan aktarılarak yükseky ksek- enerjili düşük-akd akılı ana demetin hızlandh zlandırılması için in kullanılıyor. CLIC in tasarım m parametreleri s s = 3 TeV ve L = cm -2 s - 1 elde etmek için i in ayarlanmış ıştır. CLIC in aşamalara amaları için: in: birinci aşama a ama s s = TeV ve L = cm -2 s - 1, ikinci aşama a ama s s = 1 TeV ve L = cm -2 s - 1, üçünc ncü aşama ama s s = 3 TeV ve L = cm -2 s -1 ve son aşama a ama olarak s s = 5 TeV ve L = cm -2 s -1 düşünülmektedir. Müon çarpıştırıcıları 1970 lerde önerilen müon m çarpıştırıcıları konusunda 1990 lı yılların n ikinci yarısında epeyce canlanma oldu. Fakat müon m demetinin soğutulmas utulması başta olmakla bir sıra s çözülememi lememiş teknik problemin mevcutluğundan undan dolayı müon hızlandh zlandırıcıları alanında nda esas aktivite nötrino n fabrikalarına yöneldi... y

13 Lepton-Hadron Çarpıştırıcıları Halka-Halka Halka: HERA*,, e-rhice RHIC* (EPIC* etc), LEP -LHC*, e-vlhc*, µp?? Linak-Halka: THERA*,, e-rhice RHIC*, QCD Explorer, NLC -LHC, CLIC-VLHC + γ opsiyonlar siyonları Linak-Lina Linak: TESLA, GLC, CLIC + γ opsiyonlar siyonları Altcizgi s s > 1 TeV olduğunu unu gösteriyorg * Snowmass 2001 Working Group M5 on Lepton-Hadron Colliders NLC 0.5 TeV kütle merkezi enerjisine sahip lineer çarpıştırıcı

14 Lepton-hadron çarpışmalarının n maddenin derinlemesine araştırılmas lmasında çok önemli bir rol oynadığı bilinmektedir: Kuark-parton modeli elektron-nükleon kleon saçılmas lmasının n incelenmesinden ortaya çıkmıştır. HERA sabit hedef deneylerine göre g kinematik bölgenin b büyük b k Q 2 ve küçük üçük x g in her ikisinde de iki mertebe daha öteye kadar uzandığı yeni bir dönem d açmıştır. Bununla birlikte, parton yoğunlu unluğu u doyumunun ortaya çıkacağı,, yeterince küçük x g ve eşe zamanlı olarak yüksek y Q 2 bölgesi bugün n için i in ulaşı şılmış değildir. Aşırı küçük x g fakat yeterince büyük b k Q 2 de fizik olaylarının n araştırılmas lması çekirdekten partonlara kadar olan tüm t m seviyelerde kuvvetli etkileşmelerin doğas asının n anlamak için i in çok önemlidir. Aynı zamanda lepton-hadron çarpıştırıcılarında elde edilen sonuçlar geleceğin hadron çarpıştırıcılarında fiziğin in yeterli derecede açıklanmasa klanması için in gereklidir. Bugün, linak-halka tipli çarpıştırıcılar lepton-hadron çarpışmalarında TeV skalasına ulaşmak için i in en uygun yol olarak görülmektedir. g 20.yüzy zyılın n bilimsel ve teknolojik çehresini belirleyen Rutherford deneyinden başlayarak maddenin içi yapısını inceleyen deneylerin çözüm m gücünün g n gelişimi imi Şekil 1 de 1 verilmiştir.

15 Maddenin yapısını araştıran ran deneylerin çözümleme gücünün n zaman ile gelişmesi

16 REVIEWS B.H. Wiik, Recent Developments in Accelerators,, Plenary Talk at EPS-HEP 93, p. 739 ( 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/ ex/ R. Brinkmann et al., Linac-Ring Type Colliders: : Fourth Way to TeV Scale, DESY (1997); physics/ S. Sultansoy, The Post-HERA Era: Brief Review of Future Lepton-Hadron and Photon-Hadron Colliders,, DESY (1999); hep-ph/ ph/ A.K. Ciftci et al., A A Brief Review of Future Lepton-Hadron and Photon-Hadron Colliders, hep-ex/ ex/ E. Arik and S. Sultansoy, Turkish Comments on `Future Perspectives in HEP`, hep-ph/ ph/ 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, s1064- s1066 (2004); hep-ex/ ex/

17 Fizik açısından a en önemli iki parametre kütle k merkezi enerjisi ve ışınl nlıktır. Kütle merkezi enerjisi (TeV) Çarpıştırıcılar pp 2010 s LHC ee NLC ep NLC*LHC ep/ee s s VLHC CLIC CLIC*VLHC s Böylece, kritik nokta ışınl nlıktır!

18 Ek opsiyonlar: γp, ea, γa A and FEL γa γp p 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 A opsiyonu A.K. Ciftci,, S. Sultansoy and O. Yavas,, NIM A 472 (2001) 72 FEL γa A opsiyonu H. Aktas et al., NIM A 428 (1999) 271

19 Ana problemler Bunch (banç,, paketçik) aralıklar kları farklıdır: r: JLC/NLC ve CLIC de ns,, TESLA da 200 ns,, LHC de 25 ns Düşük çarpışma frekansı Demet ebatları farklıdır: r: nm ye (elektron demeti) karşı µm (proton demeti) Mümkün çözümler mler: LC ( : LC (ve/veyaveya PS) banb anç yapısının değiştirilmesi tirilmesi, özel e-linak tasarımı,... Ana sınırlamalars Linak ın n demet gücü g (~ f rep n b n e ) Proton banç parlaklığı (n p /ε p ) Ek olarak, Q p, t IBS gibi parametreler kontrol altında tutulmalıdır

20 Kısa tariçe P.L. Csonka and J. Rees, Nucl. Instr. Meth.. 96 (1971) 149 D. Berley et al., e-p p Accelerator Subgroup Summary, Snowmass 1982, p GeV e-linac on SSC, s s = 2.8 TeV,, L = cm -2 s -1 But P e = 400 MW! UNK+VLEPP Physics Study Group ( ): 1988): ep option: S. Alekhin et al., IHEP preprint 87-48, Serpukhov 1987 γp p 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

21 M. Tigner,, B. Wiik and F. Willeke,, 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, p TESLA on HERA, LHC and SSC L = cm -2 s - 1 with P e = 60 MW Ankara group, 1993 Ankara Univ & Gazi Univ,, see webpage R. Brinkmann and M. Dohlus,, DESY-M (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)

22 THERA: Electron-Proton Scattering at s 1 TeV H. Abramowicz et al., in TESLA TDR, v. 6, DESY , 011, Mar 2001, 62 pp. The THERA Book, Eds. U. Katz, A. Levy, M. Klein and S. Schlendstedt,, DESY , 123, Dec 2001, 415 pp. THERA Webpage ifh.de/thera TESLA on HERA: 0.25 TeV 1.0 TeV 0.4 TeV 0.4 TeV 0.8 TeV 0.8 TeV L cm -2 s -1

23 LHC and VLHC based ep colliders: : e-ring e vs e-linace Y. Islamzade,, H. Karadeniz,, S. Sultansoy LHC based (hep-ex/ ) ex/ ) Comparison of LEP*LHC with the same energy Linac*LHC E e = 67.3 GeV and E p = 7 TeV for both options L = cm -2 s - 1 for LEP*LHC (E. Keil,, LHC Project Report 93, CERN, 1997) vs L cm -2 s - 1 for Linac*LHC with P e 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/ ) ex/ ) E e = 180 GeV, E p = 50 TeV and L = cm -2 s - 1 for ring option (J. Norem and T. Sen,, FERMILAB-PUB PUB-99/347, 1999) E e = 250 GeV, E p = 50 TeV and L = cm -2 s - 1 for linac option Instead of constructing a 530 km e-ring e in VLHC tunnel it seems more wise to construct a 2 km (10 km) e-linac with the same ep parameters

24 QCD Explorer 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) 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) E e = 70 GeV, E p =7 TeV and s s = 1.4 TeV

25 With nominal parameters of CLIC and LHC beams: L = 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 x g = at sufficiently high Q 2 = GeV 2 will be explored. This region is crucial for the understanding of QCD dynamics With appropriate upgrades of CLIC and LHC beams, a luminosity of cm -2 s -1 and even cm -2 s -1 (optimistic scenario) may be achievable

26

27 SM Physics Example The importance of small x g region (at sufficiently Q 2 ~ 10 GeV 2 ) exploration for strong interactions corresponds to the importance of the Higgs boson search for electro-weak interactions!!! x g Detector cuts 1. Fixed Target HERA e-rhice 10-3? 4. THERA QCD Explorer 10-5? 6. NLC*LHC 10-6? 7. CLIC*VLHC 10-7? Low x g via ep Q(bar)+Q+X (Q = c, b) at future ep colliders

28

29 Advantage of the γp option

30 LHC, LC ve LC*LHC Karşı şılaştırması Second Way to TeV Scale Çarpıştırıcılar Hadron Lepton Lepton-Hadron 2010 s LHC NLC NLC LHCLHC L, 10 s, TeV cm -2 s cm 2020 s VLHC CLIC CLIC VLHC L, 10 s, TeV cm -2 s cm

31 Physics targets and achievable limits (following U. Amaldi in CERN 87-07, pp ) 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 s discovery may completely modify the relevance weights given to selected phenomena * LHC (including LEP*LHC option) and CLIC

32 Summary of discovery limits for 12 different processes* pp s= 16 TeV, L= L= 10 e + e s= 2 TeV, L= (4) L= (4) 10 ep s= 1.5 TeV, L= L= 10 cm -2 s -1 s= 14 TeV, L= cm cm 32 cm cm -2 s -1 s= 0.5 TeV, L= 10 cm -2 s cm cm -2 s -1 s= 3.7 TeV, L= 10 + γp option!! cm -2 s cm cm -2 s cm * Two principal additions during last years: extra dimensions (serious) infinite number of SUGRA points (curious)

33 Discovery limits in TeV (rescaled from U. Amaldi 87) LHC Linac*LHC 0.5 TeV LC 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Neutral H Charged H Quarks Leptons strong sparticles weak sparticles leptoquark sstring Z' 0 W' Compos q* e*

34 Recently, the e* eγ signal and corresponding backgrounds are studied in details (O. Cakir,, A. Yilmaz and S. Sultansoy, hep-ph/ ). ph/ ). 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 s for pp 10 s s for ee 2.5 s s for ep 7-8 TeV at LHC 5 TeV at NLC 7-8 TeV at NLC*LHC

35 CLIC-LHC LHC Interface M I N I W O R K S H O P O N 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) 2 Programme S. Sultansoy ( ) General Remarks on the Linac-Ring Type Lepton-Hadron and Photon-Hadron Colliders M. Corsini ( ) 10.30) CLIC: Technology, Test Facilities and Future Coffee break D. Schulte ( ) 11.30) CLIC: Beam Dynamics and Limitations on Main Parameters A. De Roeck ( ) 12.00) Some Remarks on Physics Search Potentials of CLIC and LHC Lunch A.K. Ciftci ( ) 14.00) Excited Quark Production at CLIC*LHC Based ep and Gamma-p Colliders O. Cakir ( ) 14.30) The Effetcs of Beam Dynamics on CLIC Physics Potential Coffee break H. Braun ( ) 15.20) Ion Programme of LHC O. Yavas ( ) 15.50) CLIC*LHC Based FEL*Nucleus Collider Discussion and Conclusion

36 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 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 E (and the corresponding derived γ-p, e-a e A and γ-a 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 E is about an order of magnitude larger than for HERA. Furthermore QCD-E E has a more favourable kinematics for probing the low-x 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.

37 Machine issues: It is known that L = 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 C and LHC beams. More work is needed on the subject, also for the e-a e A option. γ-p p and γ-a 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 m need more study, capitalizing on the recent technology developments for f photon colliders. Physics issues: The potential of QCD-E E to study small x g region should be investigated in detail taking into account main detector cuts, especially for the γ-a A option which seems to be most promising to reach the saturation region. The impact of the QCD-E E on the LHC results to reduce the systematic errors coming from uncertainties in PDF should be quantified.

38 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 ly 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 e A options has to be investigated in detail. b) The availability of γ-p p and γ-a A options should be demonstrated. c) A detailed comparison of the LHC, 0.5 TeV LC and LC -LHC 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.

39 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 c to establish a scientific base. The potential for other scientific and technological applications s of the FEL beam has to be investigated.

40 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 CERN 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

41 Parçac acık k Fabrikaları Parçac acık k fabrikaların n amacı belli parçac acıkları çok sayıda üreterek Standart Modelin öngörülerini test etmekle çeşitli parametreleri olduğunca unca dakik ölçmek ve SM ötesi modellerin belirtilerini aramaktır. r. Parçac acık k fiziği i ve Evrenin oluşumu umu açısından a madde-antimadde antimadde simetrisinin (CP) ihlali mekanizması çok büyük b öneme sahiptir. Bilindiği i gibi CP simetrisinin ihlali ilk kez nötr n K mezonların bozunumunda gözlenmig zlenmiştir. Son yıllarda y bu fenomen B fabrikalarında da gözlendi. g Parçac acık k fabrikaları iki kısma k ayrılabilir: yüksek y ışınl nlığa a sahip elektron-pozitron çarpıştırıcıları ve konumuzun dışıd ışında kalan durğun un hedeften alınan ikincil demetler (ν( fabrikası, µ fabrikası gibi).

42 DAΦNE ve TAC DAΦNE (Fraskati, İtalya) en düşük d k kütle k merkezi enerjisine sahip ( s( m φ 1020 MeV) parçac acık k fabrikasıdır. r. Standart halka-halka tipli bu çarpıştırıcının n tasarlanmış ışınım m değeri eri L = cm -2 s -1 olmasına rağmen iki yıl y çalışmadan sonra elde edilmiş değer er L = cm -2 s -1 dir. Türk HızlandH zlandırıcı Kompleksi (TAC) çerçevesinde evesinde önerdiğimiz imiz linak-halka tipli φ fabrikası ulaşı şılabilir ışınl nlık k değeri eri açısından, a L = cm -2 s -1, çok daha avantajlı gözüküyor. TAC φ fabrikasının n diğer bir avantajı asimetrik kinematiktir. φ nin ana bozunum modları K + + K - ve K L + K S olduğundan undan φ fabrikaları acayip fiziğin, in, özellikle CP ihlali ve nadir bozunumların n detaylı incelenmesine imkan sağlıyor.

43 c-τ fabrikaları TAC projesinde önerilen bir sonraki aşama a ama L = cm -2 s -1 sahip charm ( s( m Ψ(3s) 3770 MeV) ve τ ( s 4200 MeV) fabrikalarını içeriyor. Standart halka-halka tipli c-τc fabrikaları, örneğin, BEPC (Beijin, Çin) için i in tasarlanan ışınl nlık k bir mertebe daha düşüktd ktür. KEK-B, PEP-B B ve Super-B Bugün n dünyada d L = cm -2 s -1 sahip iki (halka-halka tipli) asimetrik B fabrikası çalıştırılmaktadır: KEK-B B (Tsukuba, Japonya) ve PEP-B B (Stanford, ABD). Süper yüksek y ışınıml mlı, L = cm -2 s -1, halka-halka tipli B fabrikası ile ilgili tasarım çalışmaları yürütülmektedir.

44 Giga-Z Yılda 10 9 Z bozonu üretecek Giga-Z, TESLA gibi lineer çarpıştırıcıların n bir ön n aşamasa aması olarak düşünülür. d s mz 90 GeV bölgesinde b elde edilecek ışınl nlık k değeri, eri, L = cm -2 s -1, LEP de ulaşı şılan değerden erden 10 kat daha fazladır. Z fabrikası Z- bozonun nadir bozunumlarını inceleme imkanı sağlayacakt layacaktır. Top fabrikası Top fabrikası 0.5 TeV lik LC nin s s = 360 GeV değerinde erinde çalıştırılarak veya VLHC tunelinde elektron-pozitron halkası kurularak gerçekle ekleştirilebilir. Burada bugüne kadar bulunan en ağır r temel parçac acık k olan t-kuarkt kuarkın özellikleri (büyük k kütle k değerinden erinden dolayı muhtemel olan anomal etkileşmeler dahil) detaylı şekilde irdelenecektir.

45 Sonuç Son yıllarda y Türk T bilim adamlarının çeşitli uluslararası hızlandırıcı projelerine katılmas lması olumlu bir gelişmedir. THERA projesinde Gazi Ü ve Ankara Ü den 6 kişi, i, TESLA Foton Çarpıştırıcısı projesinde GÜG veaü den 3 kişi CLIC projesinde 4 üniversitemizden 7 kişi i iştirak i etmektedir. Linak-halka tipli çarpıştırıcılar konusunda Türk T grubu dünyada lider konumundadır. Bu konuda DESY ve CERN hızlandırıcı fizikçileri ileri ile ortak çalışmalar yürütülmektedir. y Büyük B olasılıkla ilk linak-halka tipli çarpıştırıcıların n 2010 lu yıllarda y kurulacaktır.. Türk T bilim camiasının n bu çarpıştırıcılarla ilgili çeşitli araştırmalara rmalara yönelmesi y (fizik araştırma rma potansiyelinin belirlenmesi, detektör r tasarımı gibi) yukarıda belirttiğimiz imiz liderliğin in korunmasına na imkan sağlar.