Mit Teilchendetektoren auf der Suche nach der Dunklen Materie

Exzellente physikalische Forschung an der Johannes Gutenberg Universität-Mainz: Was hält die Welt im Innersten zusammen, wo liegt der Ursprung des Universums und welche Rolle spielt dabei die Dunkle Materie? Es sind die großen ungelösten Rätsel der Physik, die die Forscher an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz lösen wollen. So auch Jun.-Prof. Dr. Florian Hug, Beschleuniger­physiker im Exzellenz­cluster PRISMA. Hug baut zusammen mit einem Team aus mehr als 70 Personen seit 2012 am innovativen energie­rück­gewinnenden Teilchen­beschleuniger MESA. Von diesem Beschleuniger erhoffen sich Hug und seine Kolleginnen und Kollegen in Mainz einen noch präziseren Blick in den Aufbau von Materie und Erkenntnisse über ihre Bedeutung für den Ursprung des Universums.

Jun.-Prof. Dr. Florian Hug und Timo Stengler kontrollieren die Vorkühlung der Kryomodule, der zentralen Bauteile für den künftigen Teilchenbeschleuniger MESA.
Jun.-Prof. Dr. Florian Hug und Timo Stengler kontrollieren die Vorkühlung der Kryomodule, der zentralen Bauteile für den künftigen Teilchenbeschleuniger MESA. © PRISMA

Das innovative Beschleuniger­konzept MESA

Der Teilchenbeschleuniger MESA wird von Physikerinnen und Physikern des Exzellenz­clusters PRISMA an der Johannes Gutenberg Universität-Mainz gebaut. MESA wird in Deutschland der erste energie­rückgewinnende Teilchen­beschleuniger, kurz ERL (Energy-Recovery-Linac), sein, der im Forschungs­betrieb eingesetzt werden wird. Welt­weit existieren bislang nur eine Handvoll ähnlicher Anlagen. Neben der Technologie zur Energie­rück­gewinnung zeichnet sich MESA durch eine besondere Leistungs­fähig­keit im Bereich der Präzisions­messungen aus.

Auf der Suche nach Antworten: Experimente in Mainz sollen Rätsel um Dunkle Materie lösen

„Wir erforschen einige der großen Fragen der fundamentalen Physik. Dazu führen wir verschiedene Experimente in der Hadronen- und Teilchen­physik durch“, sagt Professor Dr. Matthias Neubert, Sprecher des Exzellenz­clusters PRISMA. Der MESA-Teilchen­beschleuniger liefert für diese Arbeit die Grund­lage. Wichtige Messungen und Experimente beginnen ab 2023 in den unter­irdischen Hallen des neu errichteten CFP-Forschungsbaus. Die besonderen Heraus­forderungen beim Einsatz der Beschleuniger­technologie beschreibt Hug so: „Für die erstmalige Verwendung der supra­leitenden Technologie hier an der Universität Mainz benötigt man einiges an Infra­struktur.“ Insbesondere Reinräume und eine besondere Art der Kühlung werden benötigt. Sie bilden die Voraus­setzung für die spätere reibungs­lose Nutzung des Beschleunigers. Die besonders sauberen Ober­flächen werden im künftigen Forschungs­betrieb mit flüssigem Helium auf -271°C abgekühlt.

Schematischer Aufbau des energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA.
Schematischer Aufbau des energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA. © PRISMA

Fast verlust­freie Über­tragung durch supra­leitenden Strukturen

Der besondere Vorteil der supraleitenden Technologien ist der sehr geringe Verlust bei 10-mal höheren Beschleunigungs­feldern im Vergleich zu normal­leitenden Beschleunigern. Somit steigert diese Technologie nicht nur die Effizienz des Forschungs­apparats. Der neue Beschleuniger kann auch sehr viel kompakter gebaut werden und erreicht bei weniger Umläufen ähnliche Energien wie vergleich­bare Geräte. Die Energie­rück­gewinnung erlaubt gleichzeitig die Nutzung extrem hoher Strahl­ströme, so dass mit MESA ein kompakter Beschleuniger mit hoher Strahl­intensität für den Experimentier­betrieb zur Verfügung stehen wird. Ein wesentlicher Schritt in der Konstruktion war auch die Planung und Beschaffung der supra­leitenden Module. Hug und sein Team konnten diese Module jetzt zum ersten Mal kaltfahren. Denn erst im kalten Zustand nah am absoluten Nullpunkt können in den Resonatoren der supra­leitenden Module Hoch­frequenz­felder erzeugt werden, die für den späteren Strahl­betrieb benötigt werden. Aktuell arbeiten bis zu 35 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie mehr als 40 Personen in den Werkstätten der JGU mit Hochdruck an der Fertig­stellung von MESA. Gemeinsam wollen sie in den verbleibenden fünf Jahren den Teilchen­beschleuniger aufbauen und somit unter anderem dem Rätsel um die Dunkle Materie auf den Grund gehen.

Finanzierung:

DFG im Rahmen der Exzellenzinitiative

Sprecher des Exzellenzclusters:

Prof. Dr. Hartmut Wittig
Prof. Dr. Matthias Neubert

Logo PRISMA

Kontakt:

Exzellenzcluster PRISMA
prisma@uni-mainz.de
Tel.: 06131 3921838
www.prisma.uni-mainz.de
www.mesa.uni-mainz.de

X

Sie verwenden einen sehr alten Browser.

Um diese Website in vollem Umfang nutzen zu können, installieren Sie bitte einen aktuellen Browser.
Aktuelle Browser finden Sie hier