21 Tonnen schwerer Magnet in neuen Teilchenbeschleuniger MESA eingebaut

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Der 21 Tonnen schwere Magnet für den neuen Mainzer Teilchenbeschleuniger MESA wird durch das Dach des Centrums für Fundamentale Physik in die unterirdische Halle in zehn Metern Tiefe eingebracht. | Quelle: Twain Wegner | Copyright: Twain Wegner | Download

Eines der Leuchtturmprojekte des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist der Bau des neuen, energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator), der zukünftig Experimente mit bisher unerreichter Präzision ermöglichen wird. Eines der Hauptexperimente an MESA, P2, wird durch die Messung des sogenannten schwachen Mischungswinkels eine Schlüsselrolle bei der Erforschung der „neuen Physik“ – Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik– spielen.
Die zentrale Komponente des P2-Experiments, eine supraleitende Magnetspule mit einem Durchmesser von vier Metern und einem Gewicht von 21 Tonnen, ist jetzt auf dem Campus der JGU angeliefert und in den MESA-Teilchenbeschleuniger eingebaut worden. Der Magnet wurde in Vannes, Frankreich, hergestellt und am vergangenen Donnerstag nach Mainz geliefert. „Wir haben fast fünf Jahre lang mit der Firma SigmaPhi zusammengearbeitet, um die Herausforderungen zu meistern und das hochmoderne Design für unser Experiment zu realisieren“, sagt Prof. Dr. Frank Maas, Sprecher des P2-Experiments, das zurzeit von einer Kollaboration aus Physikerinnen und Physikern aus Deutschland, Frankreich, Kanada und den USA aufgebaut wird. „Ein solcher Solenoidmagnet wird zum ersten Mal für Experimente dieser Art eingesetzt. Sein großer Durchmesser ermöglicht es, besonders hohe Teilchenraten aufzunehmen. Die Größe des Magneten hat aber auch eine besondere Herausforderung in der Konstruktion und Produktion dargestellt.“

Bei etwa vier Grad über dem absoluten Nullpunkt (bei ca. minus 269 °C) verliert die Spule ihren elektrischen Widerstand und wird supraleitend. Um diese tiefen Temperaturen zu erreichen, wird sie in einem Kryostat im Vakuum betrieben und mit flüssigem Helium gekühlt. Sie wurde mit einem Spezialtransport aus Vannes, in der Bretagne, angeliefert und mit einem speziellen Mobilkran mit einem mehr als 30 Meter langen Ausleger durch eine Öffnung im Dach des neuen MESA-Gebäudes auf die zehn Meter unter der Erde gelegene Beschleunigerebene befördert. Dort ist sie in ein etwa hundert Tonnen schweres Eisenjoch eingebaut worden.

Ein Magnet, zwei Hauptaufgaben

Das Hauptziel des P2-Experiments ist die Bestimmung des schwachen Mischungswinkels, eines Maßes für die relative Stärke der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung. Der gelieferte Magnet spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung dieser fundamentalen Größe des Standardmodells und hat zwei entscheidende Funktionen. Zum einen dient er dazu, die elastisch gestreuten Signalelektronen auf die Detektoren zu fokussieren, deren Signale vom P2-Team analysiert werden. Zum anderen wird er verwendet, um Hintergrundereignisse abzulenken und zu unterdrücken, die für die Datenanalyse nicht relevant sind. Eine präzise experimentelle Bestimmung des schwachen Mischungswinkels im Vergleich zu ebenfalls präzisen theoretischen Berechnungen wird es ermöglichen, das Standardmodell zu überprüfen. Abweichungen zwischen Theorie und Experiment wären ein Hinweis auf neue Teilchen oder Kräfte jenseits der bekannten des Standardmodells und ein experimenteller Hinweis auf die Natur der Dunklen Materie.

Ein neues Gebäude für MESA

Ein Teil der unterirdischen Hallen wurde mit dem „Centrum für Fundamentale Physik“ (CFP) neu gebaut. Das CFP bildet den baulichen Rahmen für zentrale Forschungsprojekte von PRISMA+, zu denen allen voran MESA zählt. Im Rahmen des CFP I wurden bestehende unterirdische Experimentierhallen des Instituts für Kernphysik um eine rund 600 Quadratmeter umfassende Halle erweitert. Die vorhandenen Hallen wurden modernisiert und teilweise umgebaut. Dazu gehören Hallen des seit 1979 erfolgreich betriebenen Elektronenbeschleunigers Mainzer Mikrotron (MAMI). Die neue MESA-Halle ist direkt daran angebaut, sodass der bestehende Strahlfänger in die Baumaßnahme integriert ist. Die Hallen sind über großformatige Wanddurchbrüche verbunden, um damit insgesamt ausreichend Platz für den MESA-Beschleuniger und die dazugehörigen wissenschaftlichen Experimente zu schaffen.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Frank Maas
Exzellenzcluster PRISMA+ / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung / Helmholtz-Institut Mainz
Institut für Kernphysik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Email: maas@him.uni-mainz.de
https://www.kernphysik.uni-mainz.de/univ-prof-dr-frank-maas/

Weitere Informationen:
https://presse.uni-mainz.de/neuer-sfb-1660-hadronen-und-kerne-als-entdeckungsinstrumente/ – Pressemitteilung „Neuer SFB 1660: Hadronen und Kerne als Entdeckungsinstrumente“ (31.05.2024)
https://presse.uni-mainz.de/erc-advanced-grant-fuer-maarten-boonekamp-in-zusammenarbeit-mit-jens-erler-und-frank-maas/ – Pressemitteilung „ERC Advanced Grant für Maarten Boonekamp in Zusammenarbeit mit Jens Erler und Frank Maas“ (11.04.2024)