MESA - ein neuer Linearbeschleuniger in Mainz

Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) baut aus Fördermitteln des Exzellenzclusters "Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter" (PRISMA) einen neuen Elektronenbeschleuniger auf dem Gutenberg-Campus.


 


Die Animation veranschaulicht Bauweise und Funktionsprinzip von MESA, dem Mainz Energy recovering Superconducting Accelerator. Mit einem innovativen Konzept wird ein Teil der Energie, die zur Beschleunigung des Elektronenstrahls benötigt wird, zurückgewonnen. Dieses Prinzip gleicht dem eines Autos mit Hybridantrieb, bei dem die Bremsenergie wieder in die Batterie eingespeist wird. MESA wird einzigartige Voraussetzungen für Experimente bieten, mit denen die drängendsten Fragen der Teilchenphysik angegangen werden können, wie beispielsweise Präzisionsmessungen von wichtigen Naturkonstanten oder auch die Suche nach dem sogenannten Dunklen Photon, dessen Entdeckung wichtige Erkenntnisse über das Rätsel der Dunklen Materie liefern würde. Die ersten Komponenten von MESA sind ab 2017 im Testbetrieb. Mit der geplanten Fertigstellung der Experimentierhalle des neuen Forschungsbaus für das Centrum für Fundamentale Physik im Jahr 2020 kann MESA  aus den dann vollständig vorhandenen Komponenten schnell aufgebaut werden.

 

 


 

Wozu ein neuer Teilchenbeschleuniger?

In einem Linearbeschleuniger wie MESA werden elektrisch geladene Teilchen mithilfe von elektromagnetischen Wechselfeldern beschleunigt. Die Teilchen kollidieren in Experimentierstationen mit den Atomkernen von einem Hindernis (Target) und treffen dann auf Detektoren, die ihren Impuls bzw. ihre Energie und andere physikalische Größen messen. So können Forscher einerseits die Struktur von zusammengesetzten Teilchen aufklären; am MESA-Beschleuniger soll unter anderem der Radius des Protons vermessen werden, der Forschern in den letzten Jahren Rätsel aufgegeben hat.

Weiterhin ermöglichen Beschleuniger die Suche nach kurzlebigen Teilchen, die manchmal bei den Kollisionen entstehen. So wird MESA beispielsweise zur Suche nach Dunklen Photonen beitragen, deren Existenz kürzlich von theoretischen Physikern vorgeschlagen wurde. Diese könnten Hinweise zum Aufbau der Dunklen Materie geben, aus der ein großer Teil des Universums besteht.

Was macht MESA besonders?

Mit dem neuartigen energierückgewinnende Betriebsmodus (ERL, energy-recovering linac) wird MESA sehr energiesparend arbeiten. Dadurch erreicht der Beschleuniger eine extrem hohe Strahlintensität, die sonst nur mit einem immensen Energieaufwand machbar wäre: Sehr viele Teilchen werden auf eine winzige Fläche des Targets fokussiert. Dadurch finden entsprechend viele Teilchenkollisionen in kurzer Zeit statt. Das ermöglicht die Suche nach sehr seltenen Ereignissen, wie beispielsweise nach dem Zerfall von Dunklen Photonen oder anderen, bisher unbekannten Teilchen.

Außerdem wird MESA eine sehr hohe Strahlqualität aufweisen: Alle Elektronen erhalten im Beschleuniger genau die gleiche Bewegungsenergie von 155 MeV. Das sind optimale Voraussetzungen für bestimmte Präzisionsexperimente, wie beispielsweise die Messung des elektroschwachen Mischungswinkels oder die Messung des Protonenradius.