Gelecek Nesil Parçacık Hızlandırıcıları
Transkript
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.