Hochtechnologie ermöglicht einzigartiges Experiment zur Erforschung neuer Physik auf dem Gutenberg-Campus
10.04.2025
Der Bau des neuen energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA, kurz für "Mainz Energy-recovery Accelerator" an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) schreitet weiter voran. Nachdem im November 2024 ein 21 Tonnen schwerer supraleitender Magnet eingebaut wurde, ist jetzt eine Vakuumkammer mit einem Gewicht von 3,3 Tonnen für MESA angeliefert worden. Der MESA-Beschleuniger ist eines der herausragenden Projekte des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ und bietet neue, einzigartige Möglichkeiten für die Grundlagenforschung in der Physik. Er zeichnet sich durch zwei Hauptexperimente aus: MAGIX und P2. Sie sollen wesentliche Beiträge zur Erforschung der sogenannten neuen Physik – also der Physik jenseits des Standardmodells – leisten.
Das P2-Experiment wird nunmehr durch die Anlieferung der Vakuumkammer ergänzt. P2 soll durch die Messung des sogenannten schwachen Mischungswinkels bisher ungelöste Fragen im Bereich der Elementarteilchenphysik beantworten. Dies erfordert äußerst präzise Messungen, für die jede einzelne Komponente des Experiments, wie die neue Vakuumkammer, mit höchster Sorgfalt geplant und angefertigt werden muss.
"Obwohl die Vakuumkammer auf den ersten Blick unscheinbar wirkt – wie ein einfaches Aluminiumfass – ist sie ein Stück Hochtechnologie", betont Prof. Dr. Frank Maas, Sprecher des P2-Experiments. Das Bauteil hat eine Länge von sieben Metern, einen Durchmesser von 2,4 Metern und ein Gesamtvolumen von 32 Kubikmetern. Es stellt die extrem anspruchsvollen Bedingungen des P2-Experiments her: Im vorderen Teil sorgt die Kammer für das Vakuum, das nötig ist, um die Targetzelle bei rund minus 257 Grad Celsius betreiben zu können. Die Targetzelle ist der Behälter, der die Probe enthält, auf die der Elektronenstrahl schießt. Der Probenbehälter und das gesamte Kühlsystem enthalten rund 70 Liter flüssigen Wasserstoff, wobei das Vakuum als Isolierung dient und den Wärmeaustausch durch Konvektion verhindert. Wenn der MESA-Elektronenstrahl auf die Targetzelle trifft, erzeugt er dabei Wärme, die durch einen Heliumkühler abgeführt werden muss. Heliumgas umgibt auch den Silizium-Pixeldetektor im hinteren Teil der Kammer, der den Impuls der Elektronen misst, die mit dem Target wechselwirken.
Ein weiteres bemerkenswertes Detail ist das Vakuumfenster, das zwischen dem hinteren und dem vorderen Teil der Vakuumkammer eingebaut ist. Es wurde aus kohlefaserverstärktem Epoxidharz gefertigt und wird mit einem Aluminiumflansch verklebt. Es sorgt für eine stabile Struktur bei möglichst geringer Dicke, die den hohen Anforderungen der experimentellen Bedingungen gerecht wird. Die Vakuumkammer selbst besteht aus einer hochfesten Aluminiumlegierung und ist mit speziellen Metalldichtungen versehen, die dafür sorgen, dass sie den extremen Strahlungsbedingungen standhält. "Zudem muss die Kammer in den supraleitenden Magneten passen und deshalb sehr rund sein. Die Firma NTG aus Gelnhausen ist eine der wenigen Firmen, die so etwas herstellen können", berichtet Maas.
Förderung durch den Exzellenzcluster PRISMA+
Die Entwicklungsarbeiten zum P2-Experiment und dessen Aufbau wurden unter anderem durch den Exzellenzcluster PRISMA+ – Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter und durch das Großgeräteprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.