Mainz Microtron ( немецкое название: Майнцский Mikrotron ), сокращенно МЫ , является микротрон ( ускоритель частиц ) , который обеспечивает непрерывную волну, высокую интенсивность, поляризованный пучок электронов с энергией до 1,6 Г. МАМИ является ядром экспериментальной установки по физике элементарных частиц, ядерной физики и рентгеновского излучения в Университете 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 важными адронами являются 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 спектр возбуждения. В МАМИ исследуется полный потенциал электрослабых зондов в области энергий, характерных для первых адронных возбуждений, и 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 действия основан на технике микротрона непрерывного действия. Здесь пучок многократно рециркулирует через линейную ускоряющую структуру с нормальной проводимостью с умеренным выигрышем энергии на оборот. Из-за постоянных однородных магнитных изгибающих полей длина пути луча увеличивается с энергией после каждого поворота. Магнитные поля, радиочастота (ВЧ), используемая для ускорения электронов, и выигрыш в энергии за один оборот должны быть отрегулированы, чтобы соответствовать условию микротронной когерентности, то есть условию, что длина каждого пути является целочисленным множителем длины волны РЧ. . Эта схема микротрона эффективно использует ВЧ-мощность, а присущая ему сильная продольная фазовая фокусировка гарантирует превосходное качество и стабильность луча.
На каждой из первых 3 ступеней рециркуляция создается двумя однородными поворотными магнитами на 180 °. Электронные треки напоминают гоночную трассу античной арены, откуда произошло название «гоночная трасса-микротрон (RTM)». Третья ступень, МАМИ-Б, была запущена в 1990 году и доставляла пучок для экспериментов с энергиями до 882 МэВ и 100 Непрерывная работа более 97800 ч до конца 2007 года. Качество луча очень высокое: обычно достигается разброс по 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 за счет добавления четвертой ступени ускорителя. Добавление еще одного RTM было невозможно, поскольку для этого потребовались бы изгибающие магниты весом ~ 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 только 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 есть 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 устойчивости. Эта особая радиочастотная схема дала начало названию двухстороннего гармонического микротрона (HDSM) . MAMI-C - первый в мире ускоритель, использующий эту концепцию (Kaiser, KH et al., 2000) .
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 г. был проведен первый ядерно-физический эксперимент. Около 50% времени пучка MAMI в 2007 г. (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 г. 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
В самом большом экспериментальном зале ускорительного комплекса МАМИ находятся три фокусирующих магнитных спектрометра высокого разрешения, эксплуатируемых Коллаборацией А1 . Высокое импульсное разрешение (п / п < ) 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 можно наклонять до угла отклонения от плоскости 10 °, обеспечивая кинематику вне плоскости. Протонный поляриметр отдачи дает в сочетании с поляризованным пучком МАМИ и поляризованной газовой мишенью гелий-3 доступ к широкому спектру наблюдаемых спинов. Четвертый спектрометр (KAOS / A1, покрывающий высокие импульсы при умеренной длине пробега для обнаружения каонов, в настоящее время находится на этапе ввода в эксплуатацию. Основные задачи физики:
- Форм-факторы 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 здесь .
Фотоабсорбционные эксперименты
В Collaboration А2 исследования реакции , вызванные высокой энергией фотонов , падающих на нуклонов или ядер. Пучок фотонов с известной энергией и потоком создается посредством тормозного излучения с использованием специального меченого спектрометра, предоставленного Университетом Глазго. Поляризованный электронный луч производит фотоны с круговой поляризацией. Линейно поляризованные фотоны могут быть получены когерентным тормозным излучением 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 кристалла BaF 2 ) 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 - хорошо известные концепции классической физики, которые описывают влияние статических электрических и магнитных полей на составные системы. В случае протонов и нейтронов скалярная и зависящая от спина поляризуемости могут быть измерены в низкоэнергетическом комптоновском рассеянии.
- В МАМИ а также 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.
Базу данных публикаций можно найти здесь .
Односпиновые асимметрии в упругом рассеянии электронов
В А4 Collaboration меры небольшие асимметрии в поперечном сечении упругого рассеяния поляризованных электронов на неполяризованную мишень, в основном водород или дейтерий. Передаваемый импульс, достигаемый в конфигурации детектора при прямом или обратном угле, варьируется от 0,1 ГэВ² / c² до 0,6 ГэВ² / c². Мощная мишень из жидкого водорода длиной 10 см или 20 см и поляризованный электронный пучок I = 20 мкА приводят к светимости порядкаРассеянные 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.
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 формфакторы 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 .
Яркое рентгеновское излучение
X1 Сотрудничество в МАХ разрабатывает новые блестящие источники излучения и исследует их потенциал 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 здесь .
Дополнительная информация и литература
Домашняя страница Института ядерной физики Майнцкого университета.
Рекомендации
Координаты : 49 ° 59′30 ″ с.ш., 8 ° 14′11 ″ в.д. / 49,99167 ° с. Ш. 8,23639 ° в.