Майнц Микротрон - Mainz Microtron

План помещения МАМИ

В Майнц Микротрон (Немецкий имя: Майнцер Микротрон), сокращенно МАМИ, это микротрон (ускоритель частиц ), который обеспечивает непрерывный поляризованный электронный пучок высокой интенсивности с энергией до 1,6 ГэВ. МАМИ - ядро экспериментальной установки по физике элементарных частиц, ядерной физики и рентгеновского излучения Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце (Германия). Это один из крупнейших в Европе ускорителей фундаментальных исследований на базе кампуса. Эксперименты в МАМИ проводят около 200 физиков из многих стран, организованных в рамках международных коллабораций.

Цели исследования

Научные исследования в МАМИ сосредоточены на изучении структуры и динамики адронов, частиц, состоящих из кварков и глюонов, связанных сильным взаимодействием. Наиболее важные адроны - это протоны и нейтроны, основные составляющие атомных ядер и, следовательно, строительные блоки обычного вещества. Электроны и фотоны взаимодействуют с электрическими зарядами и намагниченностью кварков внутри адрона относительно слабым и хорошо понятным способом, предоставляя неискаженную информацию об основных адронных свойствах, таких как (поперечный) размер, магнитные моменты, распределение заряда и магнетизм, структура аромата, поляризуемости и т. Д. спектр возбуждения. В МАМИ исследуется весь потенциал электрослабых зондов в области энергий, характерных для первых адронных возбуждений, с пространственным разрешением порядка типичного размера адрона около 1 фм.

Ускоритель МАМИ

Ускоритель МАМИ состоит из четырех каскадных микротронов, линейного ускорителя инжектора, теплового источника для неполяризованных электронов и управляемого лазером источника электронов со спиновой поляризацией 80%. Принцип работы основан на методе микротрона непрерывного действия. Здесь пучок многократно рециркулирует через линейную ускоряющую структуру с нормальной проводимостью с умеренным выигрышем энергии на оборот. Благодаря постоянным однородным магнитным изгибающим полям длина пути луча увеличивается с энергией после каждого поворота. Магнитные поля, радиочастота (РЧ), используемая для ускорения электронов, и выигрыш в энергии за оборот должны быть отрегулированы для удовлетворения условия микротронной когерентности, то есть условия, что длина каждого пути является целочисленным множителем длины волны РЧ. Эта схема микротрона эффективно использует высокочастотную мощность, а присущая ей сильная продольная фазовая фокусировка гарантирует превосходное качество и стабильность луча.

MAMI-B: отдельные пути возврата расположены с левой стороны между двумя огромными поворотными магнитами на 180 °. Секция ускорения находится с правой стороны.

На каждом из первых 3 этапов рециркуляция архивируется двумя однородными поворотными магнитами на 180 °. Электронные треки напоминают гоночную трассу старинной арены, которая является источником названия «беговая дорожка-микротрон (RTM)». Третья ступень, МАМИ-Б, была запущена в 1990 году и доставляла пучок для экспериментов с энергиями до 882 МэВ и 100 ${displaystyle mu}$ Непрерывная работа более 97800 ч до конца 2007 года. Качество луча очень высокое: обычно достигается разброс энергии 30 кэВ и эмиттанс 25 нм * рад. Поворотные магниты МАМИ-Б имеют ширину около 5 м и вес 450 т. На этом этапе механический предел концепции RTM был достигнут, в результате чего МАМИ-Б стал самым большим микротроном в мире.

В конце 1990-х годов возникла потребность в увеличении энергии примерно до 1500 МэВ. Это было достигнуто путем добавления четвертой ступени ускорителя. Добавить еще один RTM было невозможно, потому что для этого потребовались бы изгибающие магниты ~ 2200 тонн каждый. Поэтому метод был изменен путем разделения 180-градусных диполей на систему симметричных пар 90-градусных диполей, каждая из которых образует ахроматическую 180-градусную систему изгиба с магнитами всего 250 тонн каждый. Чтобы компенсировать сильную вертикальную дефокусировку из-за наклона полюсной поверхности 45 ° между магнитами, эти диполи включают соответствующий градиент поля, нормальный к этому полюсному краю. В этой схеме две недисперсионные секции, позволяющие установить два линейных ускорителя. Чтобы выполнить условие когерентности микротрона в ограниченном пространстве существующих экспериментальных площадок, частота ускорения одного из этих линейных ускорителей в два раза превышает частоту MAMI-B, равную 2,45 ГГц. Другой линейный ускоритель по-прежнему работает на частоте 2,45 ГГц для повышения продольной стабильности. Эта особая радиочастотная схема дала начало названию Гармонический двухсторонний микротрон (HDSM). МАМИ-С - первый в мире ускоритель, использующий эту концепцию. (Kaiser, K.H. et al., 2000).

MAMI-C: два из четырех 90 ° концевых магнитов HDSM с 43 отдельными путями рециркуляции между ними.

Строительные работы начались в 2000 году. В конце декабря 2006 года, в течение одного дня, первый испытательный пучок прошел все 43 рециркуляции и достиг проектной энергии 1508 МэВ. После всего лишь нескольких недель испытаний пучка в феврале 2007 года был проведен первый ядерно-физический эксперимент. Около 50% времени пучка MAMI в 2007 году (7180 ч) было использовано для работы на 1,5 ГэВ. Все конструктивные параметры HDSM, включая макс. ток 100 мкА (151 кВт мощности пучка). В конце 2009 года была достигнута энергия 1604 МэВ. Средняя доступность пучка для экспериментов (> 80%) находится на очень высоком уровне, что наглядно демонстрирует, что схема HDSM так же надежна и стабильна, как и каскад RTM.

Экспериментальные установки

Рассеяние электронов с высоким разрешением

Спектрометрическая установка коллаборации A1 в МАМИ используется для рассеяния электронов высокого разрешения на совпадение с адронами.

В самом большом экспериментальном зале ускорительного комплекса МАМИ находятся три фокусирующих магнитных спектрометра высокого разрешения, принадлежащих A1 Сотрудничество. Высокое импульсное разрешение ( ${displaystyle Delta}$ п / п < ${displaystyle 10 ^ {- 4}}$ ) вместе с большим акцептом по телесному углу (до 28 мсек) и по импульсу (до 25%) делает эту установку идеальной для рассеяния электронов при совпадении с детектированием адронов. Один из спектрометров может быть наклонен вверх. угол плоскости 10 °, с учетом кинематики вне плоскости. Протонный поляриметр отдачи дает, в сочетании с поляризованным лучом МАМИ и поляризованной газовой мишенью гелий-3, доступ к широкому спектру спиновых наблюдаемых. Четвертый спектрометр (KAOS / A1, покрывающий высокие импульсы с умеренной длиной пути для обнаружения каонов, в настоящее время находится на этапе ввода в эксплуатацию. Основные задачи физики:

Формфакторы в упругом рассеянии электронов относятся к наиболее фундаментальным наблюдаемым характеристикам 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 малом переданном импульсе Q² <2 ГэВ² / c².
В радиационно-неупругом рассеянии электронов, когда излучается дополнительный фотон низкой энергии (виртуальное комптоновское рассеяние), можно изучать реакцию нуклонов на квазистатические электромагнитные поля. Этот отклик описывается поляризуемостями и их пространственным распределением.
Неупругое рассеяние электронов при совпадении с мезонами (пионами, эта, каонами) дает информацию о спектре возбуждения протонов и нейтронов. Форм-факторы перехода нуклона в определенные возбужденные состояния могут быть изучены с высокой точностью.
Структура и волновые функции ядер и гиперядер, в которых один протон или нейтрон заменен более тяжелым лямбда- или сигма-барионом, изучаются при рассеянии электронов на ядрах в совпадении с выбитыми нуклонами или образовавшимися мезонами.

Список последних публикаций можно найти Вот.

Фотоабсорбционные эксперименты

Калориметр Crystal Ball / TAPS

В A2 Сотрудничество изучает реакции, вызываемые падающими на нуклоны или ядра фотонами высоких энергий. Пучок фотонов с известной энергией и потоком создается посредством тормозного излучения с использованием специального меченого спектрометра, предоставленного Университетом Глазго. Поляризованный электронный пучок производит фотоны с круговой поляризацией. Линейно поляризованные фотоны могут быть получены из когерентного тормозного излучения в ориентированном кристаллическом излучателе. Центральная часть детекторной системы представляет собой герметичный калориметр, состоящий из детектора Crystal Ball (672 кристалла NaI) в сочетании с детектором TAPS (384 BaF).₂ кристаллы) в прямом направлении. Для отслеживания и идентификации заряженных частиц внутри полости сферы Crystal Ball установлены два слоя коаксиальных многопроволочных пропорциональных камер и ствол из 24 сцинтилляционных счетчиков, окружающих цель. Мишень с замороженным спином для поляризованных протонов и дейтронов имеет особое значение для изучения спиновых степеней свободы.

Основные цели физики:

Протоны и нейтроны возбуждаются, когда они поглощают фотон. Если энергия фотона достаточно высока, мезоны испускаются. 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 поляризуемости - это хорошо известные концепции классической физики, описывающие влияние статических электрических и магнитных полей на составные системы. В случае протонов и нейтронов скалярные и спин-зависимые поляризуемости могут быть измерены в низкоэнергетическом комптоновском рассеянии.
В МАМИ ${displaystyle eta}$ и ${displaystyle eta '}$ мезоны образуются с высокой скоростью. С помощью детектора Crystal Ball моды распада этих мезонов можно изучать в почти безфоновой среде.
Распределение заряда внутри ядер было измерено с высокой точностью в экспериментах по рассеянию электронов. Информация о распределении материи может быть получена из когерентного фотоиндуцированного образования пионов из ядер, где фотон и пион когерентно взаимодействуют со всеми протонами и нейтронами внутри ядра.

Можно найти базу данных публикаций Вот.

Односпиновые асимметрии в упругом рассеянии электронов

В A4 Сотрудничество измеряет небольшие асимметрии в поперечном сечении упругого рассеяния поляризованных электронов на неполяризованной мишени, в основном водороде или дейтерии. Передаваемый импульс, достигаемый в конфигурации детектора как при прямом, так и при обратном угле, варьируется от 0,1 ГэВ² / c² до 0,6 ГэВ² / c². Мощная мишень из жидкого водорода длиной 10 или 20 см и поляризованный электронный пучок I = 20 мкА приводят к светимости порядка ${displaystyle L = 10 ^ {38} ~ {m {cm ^ {2} / s.}}}$ Рассеянные электроны измеряются с помощью полностью поглощающего сегментированного калориметра фторида свинца, который работает с частотой событий около 100 МГц. Степень поляризации электронного луча измеряется лазерным поляриметром обратного комптоновского рассеяния одновременно с основным экспериментом.

Вид калориметра из фторида свинца A4 и мощной мишени из жидкого водорода

Есть две основные цели физики:

Асимметрии рассеяния электронов с нарушением четности измеряются с помощью продольно поляризованного электронного пучка. Используя данные Стандартной модели физики элементарных частиц, определяется вклад странных морских кварков в электрические и магнитные форм-факторы нуклона.
При использовании поперечно поляризованного электронного пучка наблюдаемые асимметрии возникают в первом порядке из-за интерференции амплитуды одно- и двухфотонного обмена. Эти асимметрии чувствительны к возбужденным промежуточным состояниям нуклона. Можно определить мнимую часть амплитуды двухфотонного обмена.

Список публикаций можно найти здесь Вот.

Яркое рентгеновское излучение

В X1 Сотрудничество в МАМИ разрабатывает новые блестящие источники излучения и исследует их возможности для применения. Электромагнитный спектр простирается от дальнего инфракрасного до жесткого рентгеновского диапазона. «Блестящий» означает, что большое количество фотонов испускается острым пучком из небольшого пятна. В МАМИ возможны пятна луча диаметром до субмикронного диапазона. Исследованные механизмы производства включают излучение Смита-Перселла в инфракрасном и оптическом спектральном диапазоне, ондуляторное излучение в мягком рентгеновском диапазоне, а также канализирующее излучение, параметрическое рентгеновское излучение и переходное излучение в жестком рентгеновском диапазоне. Список публикаций можно найти Вот.

Дополнительная информация и литература

Домашняя страница Институт ядерной физики в Университете Майнца.