Das Mainzer Mikrotron MAMI Ein einzigartiger Teilchenbeschleuniger an der JGU Mainz

1. Das Mainzer Mikrotron MAMI Ein einzigartiger Teilchenbeschleuniger an der JGU Mainz Achim Denig Institut für Kernphysik JGU Mainz 22. August 2012 Rotary Club Mainz 50° Nord

2. 2 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Übersicht 2 | Precision Physics, Fundamental Interactions andStructureof Matter – PRISMA • MAMI – Facts & Figures • Standardmodell der Teilchenphysik • Offene Fragen des Standardmodells • Zusammenfassung

3. MAMI – Facts & Figures • Hochintensiver Beschleuniger für Elektronen • Beheimatet am Institut für Kernphysik der JGU Mainz • Finanzierung: Land RLP, JGU Mainz, DFG Sonderforschungsbereich • „Die Niederenergiegrenze des Standardmodells“ • Weltweit eine der 7 „Key-Facilities“ unseres Feldes • (Global Science Forum, OECD 2008) 3 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI InstitutfürKernphysik

4. MAMI – Facts & Figures • Energie der Elektronen 1,6 Giga-Elektronenvolt= 1,6 x 109eV • Viel für ein mikroskopisches Teilchen – wenig in makroskopischer Welt: 1 GeV entspricht der Energie, die • Taschenlampe für 0,0000000001 Sekunden leuchten lässt. • MAMI-Elektronen haben 50 000 mal höhere Energie als Braunsche Röhre • LHC-Protonen haben 2000 mal höherer Energie als MAMI - + Energie 1 eV 4 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI • Moderne Methoden der Beschleunigung: keine Gleichspannung ! •  Hochfrequenz Beschleunigerstrukturen (supraleitende Kavitäten 10 MeV/m)

5. Auflösung von Strukturen in der Teilchenphysik • Was bedeutet hier „Sehen“? • Um in den Mikrokosmos vorzudringen, beobachtet man die Streuung, d.h. die • Abbildung von Projektilen (z.B. Licht) an dem zu untersuchenden Objekt 5 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Auflösungsvermögen: Wellenlänge λ des Projektils muss in gleicher Größenordnung sein wie das zu untersuchende Objekt!

6. MAMI  ersetze Licht durch Elektronen ! • Mikroskopische Welt wird von Quantenmechanik beschrieben. • Auch massive Teilchen (Elektronen) besitzen Welleneigenschaften • Jegrößer Impuls/Energie, desto kleiner die Wellenlänge! Auflösung von Objekten mit einer Größe von < 1 Femtometer, = 10-15 m ~ 1 nm Nanoskala 6 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI ~ 1 fm Femtoskala

7. MAMI: Physik an der Femtoskala ! = 1 / 1 000 000 der Nanoskala 7 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Proton punktförmige Quarks

8. MAMI – Facts & Figures • PrinzipLinearbeschleuniger als Rennbahn-Mikrotron • Kaskade von insgesamt vier Mikrotronen: MAMI, MAMI-A, MAMI-B, MAMI-C MAMI-B: 855 MeV (seit 1990 in Betrieb) MAMI-A 8 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Umlenk- magnete MAMI Elektronenquelle LINAC

9. MAMI und MAMI – A Fertigstellung 1983 183 MeV Endenergie 9 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

10. MAMI – B Größtes jemals gebautes Mikrotron: 450 Tonnen Gewicht! 885 MeV Endenergie 10 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

11. MAMI – C Harmonisch doppelseitiges Mikrotron (HDSM) seit 2007 in Betrieb Verdopplung Strahlenergie auf 1,6 GeV 11 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

12. Streuexperimente Detektoren 12 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

13. Warum diese Forschung ? 13 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Die uralte faustische Frage: “Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält …”

14. Das Standardmodell der Teilchenphysik FundamentaleFermionen Beschreibtdreidervierbekannten Wechselwirkungen, d.h. Kräfte ( NICHT die Gravitation !? ) = BausteinederMaterie (z.B. Proton = uud Quarks) Quarks 14 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Leptonen

15. Das Standardmodell der Teilchenphysik Wechselwirkungen (d.h. Kräfte) werden durch Aus- tauschteilchen vermittelt .... e- e- 15 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

16. Standardmodell (SM) sehr erfolgreich getestet ! Offene Fragen desSMs? Physik jenseits des SM! Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? 16 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Was ist die mysteriöse Dunkle Materie? Was ist die mysteriöse Dunkle Materie? Gibt es bisher unbekannte Teilchen und Kräfte in der Natur? Neue Physik !

17. Weltkarte von Fra Mauro, 1459 Die Grenzen („Frontiers“) des Standardmodells Suche nach Neue Physik ! 17 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Terra incognita Hadronenphysik: Verständnis von Proton und Neutron !

18. High Energy Frontier (LHC) DirekteProduktionschwererTeilchen bei den höchstenBeschleunigerenergien Direkte Produktion neuer Physik ?! p p 18 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI E = Mc2

19. Precision Frontier Vergleich hochpräziser Messungen mit hochpräzisen Theorie-Vorhersagen; bei niedrigen Energien.  Überprüfung des Standardmodells! IndirekteSuchenachNeuePhysik ! ΔE  Δt = h/4π 19 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

20. Low Energy Frontier Verständnis von Proton und Neutron ! Annahme Proton = uud-Quarks istnaiv! Vielkörperproblem Proton/Neutron bisherunverstanden (Masse?, Spin?)! 20 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

21. Erkenntnisgewinn erfordert Komplementarität der Methoden und Energieskalen LHC 21 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Terra incognita

22. Mainzer Physiker arbeiten an allen „Frontiers“ Ein Mainzer Exzellenz-Cluster für die Hadronen-, Teilchen- und Astroteilchenphysik 40 Millionen € neueFördermittel: • 9 neue Professoren, 50 Wissen- • schaftlerstellen • Neues Mainzer Theorie-Institut • Neuer Elektronenbeschleuniger • MESA: 150 MeV Energie 22 |PrecisionPhysics, Fundamental Interactions and Structure of Matter – MAMI •  Potential für bahnbrechende • Entdeckungen

23. Zusätzliches Material

24. Weltweite Vernetzung und Beteiligung bei Großprojekten ATLAS, COMPASS, NA62 / CERN GSI, FAIR XENON DØ / FNAL BaBar / Stanford BES-III / Peking 24 | Precision Physics, Fundamental Interactions andStructureof Matter – PRISMA IceCube / Südpol

25. Das RätselderDunklenMaterie UnsbekannteMateriemacht nur ca. 30% der Masse des Universumsaus! 25 | Cluster of Excellence PRISMA: Research Program

26. Die Rolle von MAMI 26 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

27. MAMI – Facts & Figures • Linear-Beschleunigermit Hochfrequenz-Beschleunigerstrukturen 27 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI

28. Einstein E=mc2 • MAMI-Strahlenergie erlaubt Produktion von Teilchen mit einer Masse m von maximal • ca. 1 GeV/c2 e e 28 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI p p X Produktion eines Teilchens X in Streuprozess von Elektronen an einem Proton

29. Das Standardmodell der Teilchenphysik FundamentaleFermionen + Eichbosonen = Austauschteilchen von drei Wechselwirkungen, d.h. Kräften = BausteinederMaterie (z.B. Proton =uud Quarks) g elektromagnetische WW wirkt auf Quarks + el. gel. Leptonen g starke WW wirkt auf Quarks 29 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI schwache WW W±,Z wirkt auf Quarks + alle Leptonen + Higgs - Boson H vermutlichentdeckt