DESY

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Einleitung

DESY (Abkürzung für Deutsches Elektronen-Synchrotron), Großforschungsinstitut (u. a. Elementarteilchen und Hochenergiephysik), das seinen Hauptsitz in Hamburg hat und seit 1992 zusätzlich eine Zweigstelle in Zeuthen (bei Berlin) betreibt. Das Institut gehört zur Hermann-von-Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren und wird aus öffentlichen Mitteln finanziert.

DESY wurde am 18. Dezember 1959 als selbständige Stiftung öffentlichen Rechts in Hamburg gegründet. Der Name des Instituts geht auf den gleichnamigen Teilchenbeschleuniger zurück, den man in der Zeit von 1960 bis 1964 auf dem Werksgelände baute und fertig stellte. Das Zentrum verfügt mittlerweile über mehrere Beschleuniger und Forschungsanlagen (z. B. Teilchendetektoren). Am DESY betreiben rund 3 400 Wissenschaftler von 280 Hochschulen und Instituten aus 35 Ländern naturwissenschaftliche Grundlagenforschung. Im Mittelpunkt des Interesses stehen hierbei auf der einen Seite die fundamentalen Eigenschaften von Materie und auf der anderen Seite die Nutzung der Synchrotronstrahlung für verschiedene Bereiche (u. a. Oberflächenphysik, Materialwissenschaften, Kristallographie, Chemie, Molekularbiologie, Geophysik, Medizin).

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Technische Anlagen am DESY

Der erste Teilchenbeschleuniger „DESY” nahm 1965 seinen Betrieb auf und war in der Lage Elektronen (e^-) und Positronen (e⁺) auf seiner Kreisbahn auf Geschwindigkeiten von sechs bis 7,5 Gigaelektronenvolt (GeV) zu beschleunigen (Anmerkung: Die Energiemaßeinheit Elektronenvolt berücksichtigt die kinetische Energie, die die Teilchen auf Grund ihrer Bewegung besitzen). Die Teilchen mussten bereits über eine hohe Geschwindigkeit verfügen, bevor sie in das Synchrotron eingeschleust wurden. Als Vorbeschleuniger dienten zwei so genannte Linearbeschleuniger LINAC I (in Betrieb 1964 bis 1991; e^-) und LINAC II (in Betrieb seit 1969; e^- und e⁺); das Kürzel LINAC steht für die englische Bezeichnung Linear Accelerator. Die Elektronen bzw. Positronen wurden auf Geschwindigkeiten von etwa 0,4 Gigaelektronenvolt vorbeschleunigt und gelangten anschließend in die Kreisbahn (Bahndurchmesser 50 Meter) von DESY, um dort auf die Endgeschwindigkeit gebracht zu werden. DESY besaß nur einen Kanal, in dem sich nur jeweils eine Teilchenart zur Zeit beschleunigen ließ. Mit DESY hat man verschiedene Experimente (bis 1976) durchgeführt. Seitdem dient das Synchrotron als Einspeisungsquelle für andere Beschleunigungsanlagen, wie z. B. verschiedene Speicherringe.

1974 begannen die Wissenschaftler mit dem Experimentierprogramm DORIS (Doppel-Ring-Speicher; Bauzeit: 1969-1974). Hierbei handelte es sich um einen Speicherring, der über zwei Kanäle verfügte, also zwei Teilchenarten aufzunehmen vermochte, wobei die Teilchen sich in entgegengesetzte Richtungen bewegten (die Elektronen in die eine und die Positronen in die andere Richtung). Mit DORIS wurden u. a. verschiedene Kollisionsversuche durchgeführt. Eine der Hauptaufgaben von DORIS war die Versorgung anderer Experimente mit Synchrotronstrahlung. Kurz nach Start des Hamburger Synchrotronstrahlungslabors (HASYLAB) am DORIS-Speicherring begann man 1981 mit dem Umbau von DORIS zum Einzelspeicherring DORIS II. Dieser wurde 1990 abermals umgebaut zu DORIS III.

Wie bei DORIS konnten die Teilchen auch bei PETRA (Positron-Elektron-Speicherring-Anlage; 1978-1986), mit einer Bahn von 734 Metern, 2,3 Kilometer Umfang und einem Ringdurchmesser von 400 Metern, gleichzeitig in Gegenrichtung laufen. Sie erreichten hier Endenergien von 19 Gigaelektronenvolt. An vier Wechselwirkungszonen konnten aufwendige Kollisionsversuche mit bis zu 38 Gigaelektronenvolt Energie stattfinden. 1979 gelang mit Hilfe von PETRA die Entdeckung des Gluons.

Einige Beschleunigeranlagen in Kürze:

• DESY II, seit 1987, Elektronensynchrotron, acht Gigaelektronenvolt.
• DESY III, seit 1988, Protonensynchrotron, 7,5 Gigaelektronenvolt.
• LINAC III, seit 1988, Protonenlinearbeschleuniger, 0,5 Gigaelektronenvolt.
• PETRA II, seit 1990, Vorbeschleuniger für Elektronen, Positronen (zwölf Gigaelektronenvolt) und Protonen (40 Gigaelektronenvolt).

Mit der 1990 fertig gestellten Hadron-Elektron-Ringanlage (HERA, Bahnlänge etwa 6,3 Kilometer) lassen sich Elektronen auf 30 Gigaelektronenvolt und Protonen auf 920 Gigaelektronenvolt beschleunigen. Wichtige Elektron-Proton-Kollisionsexperimente an HERA sind H1 und ZEUS (beide seit 1992), wichtige Strahl-Target-Versuche HERMES (seit 1995) und HERA-B (seit 1998).

Das internationale Team (400 Wissenschaftler) des Experimentes H1 beschäftigt sich mit der Struktur des Protons sowie mit den fundamentalen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Hinter H1 steht ein gleichnamiger, komplex aufgebauter Teilchendetektor. Auch beim Experiment ZEUS steht ein komplexer Teilchendetektor im Mittelpunkt, der u. a. zur Analyse der Produkte dient, die bei den Elektron-Proton-Kollisionsexperimenten entstehen. Die Forscher des HERMES-Programms untersuchen die Spinstruktur von Nukleonen. Dabei geht es nicht allein nur um den Aufbau aus den fundamentalen Teilchen sondern vielmehr um die Frage, wie sich der Spin der Nukleonen aus den Einzelkomponenten zusammensetzt. Mit HERA-B wollen die Wissenschaftler Näheres über die Verletzung der so genannten CP-Symmetrie bei B-Mesonen erfahren. Mit dem Begriff CP-Symmetrie verbindet man in der Elementarteilchenphysik die Eigenschaften Parität und Ladungsumkehr von Teilchen.

HERA soll ausgebaut werden, um beispielsweise die Ereignisrate zu erhöhen sowie die Speicherung von polarisierten Protonen und leichten Kernen zu ermöglichen.

Weitere Projekte von DESY sind z. B. S-Band und TESLA-TF (TeV Superconducting Linear Accelerator Test Facility). In beiden Fällen handelt es sich um Vorbereitungsprogramme für künftige Hochenergiebeschleuniger.