Майнц Микротрон

Майнцский микротрон ( немецкое название: Mainzer Mikrotron ), сокращенно МАМИ , представляет собой микротрон ( ускоритель частиц ), который обеспечивает непрерывный, высокоинтенсивный, поляризованный электронный пучок с энергией до 1,6 ГэВ. МАМИ является ядром экспериментальной установки по физике элементарных частиц, ядра и рентгеновского излучения в Университете Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия) . Это один из крупнейших ускорителей фундаментальных исследований на территории кампуса в Европе. Эксперименты в МАМИ проводят около 200 физиков многих стран, организованных в международные коллаборации.

Цели исследования

Научные исследования в МАМИ сосредоточены на изучении структура и динамика адронов, частиц, состоящих из кварков и глюонов связаны сильной силой. Важнейшие адроны протоны и нейтроны, основные составляющие атомных ядер и, следовательно, строительных блоков обычной материи. Электроны и фотоны взаимодействуют с электрическими зарядами и намагниченность кварков внутри адрона в относительно слабом и хорошо понятный способ предоставления неискаженной информации о основные адронные свойства, такие как (поперечный) размер, магнитные моменты, распределение заряда и магнетизма, ароматическая структура, поляризуемость и спектр возбуждения. В МАМИ весь потенциал электрослабых зондов исследуется в область энергии, характерная для первых адронных возбуждений и с пространственное разрешение порядка типичного размера адронов около 1 фм.

Акселератор МАМИ

Ускоритель МАМИ состоит из четырех каскадно микротроны, инжекторный ускоритель, тепловой источник для неполяризованных электронов и лазерный источник электронов со спиновой поляризацией 80%. Принцип действия основан на Микротронная техника непрерывного действия (непрерывного действия). Там луч рециркулируется много раз через линейную ускоряющую структуру нормальной проводимости с умеренным приростом энергии за ход. Благодаря постоянному, однородному магнитному изгибу полей длина пути луча увеличивается с энергией после каждого хода. Магнитные поля, радиочастота (РФ) используется для ускорения электронов и получения энергии за оборот должны быть скорректированы так, чтобы соответствовать условию когерентности микротрона, т.е. условие, что длина каждого пути является целым коэффициентом длина волны РЧ. Эта схема микротрона позволяет эффективно использовать радиочастотную мощность и присущая ему сильная продольная фазовая фокусировка гарантирует превосходное качество и стабильность луча.

На каждом из первых трех этапов рециркуляция поддерживается двумя однородными магнитами, изгибающимися на 180°. Электронные трассы напоминают гоночную трассу античная арена, отсюда и название «гоночная трасса-микротрон (РТМ)». Третья очередь МАМИ-Б вступила в эксплуатацию в 1990 году и доставила пучок для экспериментов с энергиями до 882 МэВ и 100 $\mu$ CW более чем 97800 ч до конца 2007 г. Качество луча очень высокое: достигается разброс по энергии 30 кэВ и эмиттанс 25 нм*рад. регулярно. Изгибающие магниты МАМИ-Б имеют ширину около 5 м и весят 450 т. В этом точка, в которой достигнут механический предел концепции RTM, оставляя МАМИ-Б станет самым большим микротроном в мире.

В конце 1990-х годов возникла потребность в увеличении энергии примерно до 1500 МэВ. Это было достигнуто за счет добавления четвертой ступени ускорителя. Добавить еще один РТМ было невозможно, поскольку для этого потребовались бы изгибающие магниты весом ~ 2200 тонн каждый. Поэтому метод был модифицирован путем разделения 180°-диполей на систему симметричных пар 90°-диполей, каждый из которых образует ахроматический 180°-диполь. система гибки с магнитами всего по 250 тонн каждый. Для компенсации сильной вертикальной дефокусировки из-за наклона полюсной поверхности на 45°. между магнитами эти диполи имеют соответствующий градиент поля, нормальный к краю полюса. В этой схеме имеются две недисперсионные секции, позволяющие установить два линейных ускорителя. Для выполнения условия микротронной когерентности в ограниченном пространстве существующих экспериментальных площадок частота ускорения одного из этих линейных ускорителей вдвое превышает частоту МАМИ-Б, составляющую 2,45 ГГц. Другой линейный ускоритель по-прежнему работает на частоте 2,45 ГГц для улучшения продольная устойчивость. Эта особая радиочастотная схема дала начало названию Гармонический двусторонний микротрон (HDSM) . МАМИ-С — первый в мире ускоритель используя эту концепцию (Kaiser, KH et al., 2000) .

Строительные работы начались в 2000 году. Конец декабря 2006 года, в течение одного дня, первый тестовый луч прошел через все 43 рециркуляции и достиг расчетная энергия 1508 МэВ. Всего через несколько недель лучевых испытаний первый ядерно-физический эксперимент был проведен в феврале 2007 года. Около 50% времени пучка МАМИ в 2007 г. (7180 ч) было использовано для энергии 1,5 ГэВ. операция. Все расчетные параметры HDSM, включая макс. текущий 100 мкА (мощность луча 151 кВт). Конец 2009 года энергетики была достигнута энергия 1604 МэВ. Средняя доступность пучка для экспериментов (> 80%) находится на очень низком уровне. высоком уровне, что является наглядной демонстрацией того, что Схема HDSM столь же надежна и стабильна, как и каскад RTM.

Экспериментальные установки

Рассеяние электронов высокого разрешения

В крупнейшем экспериментальном зале ускорительного комплекса МАМИ три фокусирующих магнитных спектрометра высокого разрешения, принадлежащих коллаборации A1 . Высокое импульсное разрешение ( $\Delta$ п/п < $10^{-4}$ ) вместе с большим аксептансом в телесном угле (до 28 мср) и по импульсу (до 25%) делает эту установку идеальной для рассеяние электронов одновременно с обнаружением адронов. Один из спектрометров можно наклонить до угла отклонения от плоскости 10 °, что позволяет реализовать кинематику отклонения от плоскости. Поляриметр отдачи протонов в сочетании с поляризованным пучком МАМИ дает мишень из поляризованного газа гелия-3, доступ к широкому спектру наблюдаемых спинов. Четвертый спектрометр (KAOS/A1), охватывающий высокие импульсы с умеренной длиной пути для обнаружения каонов, в настоящее время находится на стадии ввода в эксплуатацию. Основные цели физики:

Формфакторы упругого рассеяния электронов относятся к наиболее фундаментальным наблюдаемым, характерным для ядерных и субъядерных систем. Они напрямую связаны с поперечными пространственными плотностями заряда и намагниченности. В МАМИ с очень высокой точностью изучается упругое электрон-нуклонное рассеяние при малой передаче импульса Q² < 2 ГэВ²/с².
В радиационном неупругом рассеянии электронов, при котором испускается дополнительный фотон низкой энергии (виртуальное комптоновское рассеяние), можно изучить реакцию нуклонов на квазистатические электромагнитные поля. Этот отклик описывается с точки зрения поляризуемости и их пространственного распределения.
Неупругое рассеяние электронов в совпадении с мезонами (пионами, этас, каонами) дает информацию о спектре возбуждений протонов и нейтронов. Формфакторы перехода нуклона в определенные возбужденные состояния можно изучить с высокой точностью.
При рассеянии электронов на ядрах в совпадении с выбитыми нуклонами или рождающимися мезонами изучаются структура и волновые функции ядер и гиперядер, в которых один протон или нейтрон заменен более тяжелым лямбда- или сигма-барионом.

Эксперименты по фотопоглощению

Коллаборация А2 изучает реакции, вызванные падающими фотонами высокой энергии. на нуклонах или ядрах. Пучок фотонов с известной энергией и потоком производится посредством тормозного излучения с использованием специального мечущий спектрометр, предоставленный Университетом Глазго. Поляризованный электронный луч производит фотоны с круговой поляризацией. Линейно поляризованные фотоны могут быть получены путем когерентного тормозного излучения в ориентированном кристаллическом излучателе. Центральной частью детекторной системы является герметичный калориметр, состоящий из детектора Crystal Ball (672 кристалла NaI) в сочетании с детектором TAPS (384 кристалла BaF ₂ ) в прямом направлении. Для отслеживания и идентификации заряженных частиц два слоя коаксиальных многопроволочных пропорциональных камер и ствол из 24 сцинтилляций счетчики, окружающие цель, устанавливаются внутри полости сферы Хрустального шара. Мишень с замороженным спином для поляризованных протонов и дейтронов имеет особое значение для изучение спиновых степеней свободы.

Основные цели физики:

Протоны и нейтроны возбуждаются, когда поглощают фотон. Если энергия фотонов достаточно велика, испускаются мезоны. Вероятности таких реакций образования мезонов, а также их угловая и спиновая зависимость содержат необходимую информацию о возбужденных состояниях нуклонов и мезон-нуклонной динамике.
Электрическая и магнитная поляризуемость — хорошо известные понятия классической физики, описывающие влияние статических электрических и магнитных полей на составные системы. В случае протонов и нейтронов скалярную и спин-зависимую поляризуемость можно измерить с помощью комптоновского рассеяния при низкой энергии.
И МАМИ $\eta$ и $\eta '$ мезоны фоторождены с высокой скоростью. С помощью детектора «Хрустальный шар» режимы распада этих мезонов можно изучать практически в безфоновой среде.
Распределение зарядов внутри ядер было измерено с высокой точностью в экспериментах по рассеянию электронов. Информацию о распределении вещества можно получить из когерентного фотоиндуцированного образования пионов из ядер, когда фотон и пион когерентно взаимодействуют со всеми протонами и нейтронами внутри ядра.

Базу публикаций можно найти здесь .

Односпиновые асимметрии в упругом рассеянии электронов

Коллаборация А4 измеряет малые асимметрии сечения упругого рассеяния. поляризованных электронов от неполяризованной мишени, в основном водорода или дейтерия. Передача импульса достигается либо в прямом, либо в обратном направлении. Угловая конфигурация детектора варьируется от 0,1 ГэВ²/с² до 0,6 ГэВ²/с². Мощная мишень из жидкого водорода длиной 10 см или 20 см и поляризованный электронный пучок свинца I = 20 мкА. к светимостям в порядке $L=10^{38}~{\rm {cm^{2}/s\ .}}$ Рассеянные электроны измеряются по суммарному поглощающий сегментированный калориметр на основе фторида свинца, работающий с частотой событий около 100 МГц. Степень поляризации электронного пучка измеряется методом обратного комптоновского рассеяния лазера. поляриметр одновременно с основным экспериментом.

Есть две основные цели физики:

Асимметрии рассеяния электронов, нарушающие четность, измеряются с помощью продольно поляризованного электронного пучка. Используя данные Стандартной модели физики элементарных частиц, определен вклад странных морских кварков в электрический и магнитный формфакторы нуклона.
При использовании поперечно-поляризованного электронного пучка наблюдаемые асимметрии возникают в главном порядке из-за интерференции амплитуд одно- и двухфотонного обмена. Эти асимметрии чувствительны к возбужденным промежуточным состояниям нуклона. Можно определить мнимую часть амплитуды двухфотонного обмена.

Список публикаций можно найти здесь здесь .

Яркое рентгеновское излучение

Коллаборация X1 в МАМИ разрабатывает блестящие новые источники радиации и исследует их потенциал для приложений. Электромагнитный спектр простирается от дальнего инфракрасного диапазона до жесткий рентгеновский диапазон. «Блестящий» означает, что большое количество фотонов испускается в виде острого пучка. с небольшого места. В МАМИ лучевые пятна диаметром до субмикрона диапазон возможен. Изученные механизмы производства включают излучение Смита-Перселла в инфракрасного и оптического диапазона спектра, ондуляторное излучение в мягком рентгеновском диапазоне, а также каналирующее излучение, параметрическое рентгеновское излучение и переходное излучение в жестком рентгеновском диапазоне. Список публикаций можно найти здесь .

Дополнительная информация и чтение

Домашняя страница Института ядерной физики Университета Майнца.

Ссылки

49 ° 59'30 "N 8 ° 14'11" E / 49,99167 ° N 8,23639 ° E / 49,99167; 8.23639