Ausbau des Mainzer Mikrotrons mit vierter Beschleunigerstufe fertiggestellt
20.12.2006
Das Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat eine völlig neue und weltweit in dieser Form einmalige Anlage zur Beschleunigung von Elektronen in Betrieb gesetzt. "Mit diesem weltweit einmaligen Beschleuniger steht uns künftig ein hochenergetischer Strahl für völlig neue Experimente in der Kern- und Teilchenphysik zur Verfügung", betont Prof. Dr. Hans-Jürgen Arends, Geschäftsführender Direktor des Instituts für Kernphysik der JGU. In sechsjähriger Bauzeit wurde in Mainz der bestehende Elektronenbeschleuniger für rund 12,5 Millionen Euro mit einer vierten Stufe versehen und damit die Energie des Teilchenstrahls von 855 auf 1.500 Megaelektronenvolt (MeV) nahezu verdoppelt. Die Konstruktion ist so angelegt, dass die bislang außerordentlich hochwertige Strahlqualität erhalten bleibt. Damit können die Kernphysiker, die für ihre Forschungen aus aller Welt ans Mainzer Mikrotron (MAMI) kommen, künftig noch tiefer ins Innere der Materie blicken.
An der JGU wird bereits seit Ende der 1970er-Jahre eine Beschleunigeranlage zur Erzeugung eines kontinuierlichen Elektronenstrahls, realisiert als Kaskade von sogenannten Rennbahn-Mikrotronen, betrieben. Anfang der 1990er-Jahre kam als dritte Stufe das weltweit größte Rennbahn-Mikrotron hinzu. Dessen hervorragende Strahlqualität erlaubte die Durchführung von Experimenten, die die Mainzer Kern- und Teilchenforschung an die Weltspitze brachten. Die Experimente lieferten vor allem Grundlagenwissen über den Aufbau unserer Materie, besonders der Protonen und Neutronen. Zu den Höhepunkten der MAMI-Forschungen gehören neue Aussagen über die Ladungsverteilung bei Neutronen und Untersuchungen über Pionen, leichte Teilchen, die aus zwei Quarks aufgebaut sind. Mit der vierten Beschleunigerstufe MAMI C können künftig noch ganz andere Teilchen erforscht werden, vor allem die schweren Mesonen. Davon erwarten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur neue Erkenntnisse über den Aufbau des Atomkerns, sondern auch über Phänomene des Universums wie die Zusammensetzung von Neutronensternen.
Um eine Energie von 1.500 Megaelektronenvolt zu erreichen, wird der Elektronenstrahl zunächst durch die bislang bestehende Anlage, deren drei Stufen jeweils aus zwei Dipolmagneten und einem Linearbeschleuniger bestehen, auf 855 MeV gebracht. Indem der Strahl durch wiederholte Ablenkung mithilfe der Magneten immer wieder durch die gleiche Linearbeschleunigerstruktur geführt wird, gewinnen die Elektronen beständig an Energie. Mit den erreichten 855 MeV tritt der Strahl dann in die neue Anlage, ein harmonisches doppelseitiges Mikrotron (HDSM), ein. Dieses einmalige Konzept basiert auf Entwicklungsarbeiten der Beschleunigergruppe des Instituts für Kernphysik der JGU: Vier Magneten, jeweils 250 Tonnen schwer, lenken den Strahl ab und zwei Linearbeschleuniger mit verschiedenen Frequenzen erzeugen die elektrischen Felder, durch die der Strahl seine Energie gewinnt. "Wir arbeiten hier mit der Standardfrequenz von 2,45 Gigaherz, das entspricht der Frequenz einer haushaltsüblichen Mikrowelle. Zusätzlich haben wir den weltweit ersten 4,90-Gigaherz-Beschleuniger hier entwickelt und eingebaut", erläutert Dr. Andreas Jankowiak, Betriebsleiter des Elektronenbeschleunigers MAMI. Auf seinem Weg durch die kleinen Kupfer- und Aluminiumröhrchen erreicht der Strahl schon nach wenigen Metern nahezu Lichtgeschwindigkeit und gewinnt anschließend durch die weitere Energiezufuhr an Masse. Ist das Ziel erreicht, haben die Elektronen ungefähr sieben Kilometer zurückgelegt.
"Wir erwarten wiederum eine hervorragende Strahlqualität: Alle Elektronen haben am Ziel nahezu die gleiche Energie und sind in einem feinen Strahl von nur einigen zehntel Millimetern Durchmesser gebündelt", erklärt Arends. "Das ist eine wichtige Voraussetzung für Präzisionsexperimente." Noch ist es allerdings nicht ganz so weit. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme werden die jetzt folgenden Schritte den Beweis, dass MAMI C die gleiche Qualität liefert wie die Vorstufe, erbringen müssen. Fest steht aber jetzt schon, dass MAMI C in dem Energiebereich von 1.500 MeV die Referenzanlage weltweit werden wird und in den kommenden zehn Jahren in- und ausländischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für neue, spannende Experimente in der Kern- und Teilchenphysik für 6.500 Stunden im Jahr zur Verfügung steht.