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

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

3 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI 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) Institut für Kernphysik

4 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI MAMI – Facts & Figures Energie der Elektronen 1,6 Giga-Elektronenvolt = 1,6 x 109 eV 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 - + Moderne Methoden der Beschleunigung: keine Gleichspannung !  Hochfrequenz Beschleunigerstrukturen (supraleitende Kavitäten 10 MeV/m) Energie 1 eV

5 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI 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 Auflösungsvermögen: Wellenlänge λ des Projektils muss in gleicher Größenordnung sein wie das zu untersuchende Objekt!

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

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

8 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI MAMI – Facts & Figures Prinzip Linearbeschleuniger 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 MAMI Umlenk- magnete LINAC Elektronenquelle

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

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

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

12 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Streuexperimente Detektoren

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

14 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Das Standardmodell der Teilchenphysik Fundamentale Fermionen Beschreibt drei der vier bekannten Wechselwirkungen, d.h. Kräfte ( NICHT die Gravitation !? ) = Bausteine der Materie (z.B. Proton = uud Quarks) Quarks Leptonen Zunächst unsere augenblicklich beste Theorie zur Beschreibung der fundamentalen Vorgänge im Mikrokosmos ist das sog. Standardmodell der TP Das SM besitzt eine überschaubare Anzahl von fundamentalen, d.h. punktförmigen Teilchen, die die Bausteine der Materie ausmachen z.B. hatten wir gesehen, dass drei Quarks, d.h. 2 up und 1 down-Qurk ein Proton bilden Elektronen sowie die sog. Neutrinos gehören ebenfalls zu den elemenaren Teilchen ohne weitere Substruktur Nun das SM beschreibt aber auch die WW, d.h. die Kräfte zwischen diesen Teilchen. Beschrieben werden die allseitsbek. El.magn. WW sowie die beiden nuklearen Wwen: die sog. schwache, die für den nuklearen Beta-Zerfall verantwortlich ist sowie die starke WW, die z.B. die Quarks im Proton hält Wir sind allerdings nicht in der Lage, die vierte fund. Kraft, nämlich die Gravitation hier einzubinden! Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderst herausgefunden wurde, dass es weitere Quarks und Leptonen gibt, die nicht in der Alltagswelt auftauchen. Man spricht von 2 weiteren Familien von fund. Teilchen. Warum dies so ist, ist ebenfalls unverstanden! Weiterhin kennen wir sog. Kraftteilchen, die als Austauschteilchen dienen Und das Higgs-Teilchen, das vermtl. Nun gefunden ist und den Quarks und Leptonen eine Masse vermittelt

15 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Das Standardmodell der Teilchenphysik Wechselwirkungen (d.h. Kräfte) werden durch Aus- tauschteilchen vermittelt .... e- Ein Wort zu den Kraftteilchen. In der Tat können wir die WW zwischen Teilchen folgendermaßen verstehen. In diesem Bild tauschen die 2 Herren hier einen Ball aus und stoßen sich ab In der Teilcenphysik beschreiben wir ebenso die Kraft – beispielsweise von 2 Elektronen, die sich ebenfalls abstoßen – durch den Austausch der Kraftteilche. In diesem Falle handelt es sich um die el.magn. WW und das entsprechende Kraftteilchen ist das Photon, also das Lichtteilchen!

16 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Standardmodell (SM) sehr erfolgreich getestet ! Offene Fragen des SMs? Physik jenseits des SM! Gibt es bisher unbekannte Teilchen und Kräfte in der Natur? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? Was ist die mysteriöse Dunkle Materie? Neue Physik ! Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Was ist die mysteriöse Dunkle Materie? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Können wir die Masse von Elementarteilchen verstehen? Nun, ich hatte schon darauf hingewiesen, dass das SM der TP nicht in der Lage ist, einige Aspekte zu erklären Es ist hervorragend getestet, wir wissen aber, dass es noch viele offene Fragen gibt und versuchen die Physik jenseits des SMs zu finden, die letztlich diese Fragen beantworten kann! ..... Letzlich geht es darum, bisher unbekannte Teilchen (symbolisiert durch unseren Elefanten hier!) zu finden, die neuen Kräften der Natur zuzuordnen sind Man spricht allgemein von BSM oder einfach Neuer Physik! Diese könnte dann beispielsweise auch die Gravitation mit in ein Gesamtbild einordnen.

17 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Weltkarte von Fra Mauro, 1459 Die Grenzen („Frontiers“) des Standardmodells Suche nach Neue Physik ! Wir befinden uns in der TP in gewisser Weise in einer Situation wie der venezianische Möch Fra Mauro, der 1459 – also kurz vor der Entedeckung Amerikas – diese Karte Entworfen hat. Unser Ziel ist es ebenfalls, die grenzen des SMs zu überschreiten! Im engl. Gibt es den schönen Begriff Frontier, der diesen Sachverhalt sehr schön ausdrückt. Nun, wir unterscheiden zwischen 3 sog. Frontiers, um die Terra Incognita zu finden!  HEP, PF, Low-energy F und MAMI arbeitet in diesen beiden Bereichen. Ich werde versuchen, ganz kurz, diese Frontiers zu erläutern .... Terra incognita Hadronenphysik: Verständnis von Proton und Neutron !

18 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI High Energy Frontier (LHC) Direkte Produktion schwerer Teilchen bei den höchsten Beschleunigerenergien Direkte Produktion neuer Physik ?! p p E = Mc2

19 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Precision Frontier Vergleich hochpräziser Messungen mit hochpräzisen Theorie-Vorhersagen; bei niedrigen Energien.  Überprüfung des Standardmodells! Indirekte Suche nach Neue Physik ! ΔE  Δt = h/4π Weniger bekannt – und schwieriger zu erklären ist der Zugang über die Precision Frontier .

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

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

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

Zusätzliches Material

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

25 | Cluster of Excellence PRISMA: Research Program Das Rätsel der Dunklen Materie Uns bekannte Materie macht nur ca. 30% der Masse des Universums aus! Es stellt sich heraus, dass es eine neue – uns vollkommen unbekannte Form von Materie geben muss und dass die Gesamtmasse des Universums sogar von dieser Dunklen Materie dominiert sein muss, wohingegen die normale Materie nur 30% der Gesamtmasse ausmacht. Es handelt sich hierbei um eine der größten Rätsel der Modernen Physik. Wir befinden uns in der Teilchenphysik also in einer Situation, als würden ein Biologe nur die Flora und Fauna der Kontinente auf der Erde konnen, die ja 30% der Gesamtfläche der Erde ausmachen, aber überhaupt nichts wüssten von den Wundern der Natur in den Ozeanen, also der restlichen 70% der Oberfläche. Eines der znetralen Ziele von PRISMA ist die Eroberung dieses Dunklen Sektors der Natur und wir verwenden hierfür die unterschiedlichsten Methoden und Experimente, um Den Dunklen Sektor des Universums aufzuspüren.

26 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Die Rolle von MAMI Nun, was beschäftigt uns bei PRISMA? Es ist nichts geringeres als die alte faustische Frage: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Moderne Formulierungen dieser Frage lauten beispielsweise: Welcher Mechanismus vermittelt Elementarteilchen überhaupt eine Masse? Warum es so viel mehr Materie als Antimaterie hier auf der Erde, im Sonnensystem und überall sonst im Universum? Letztlich sind wir auf der Suche nach bisher unbekannten Teilchen und Kräften in der Natur, die dann auch eine Antwort auf die oben genannten Fragen geben könnten. - Eine der drängendsten Fragen ist die nach der mysteriösen Dunklen Materie. Wir stellen i.d.T. fest, dass die Gesamtmasse des Universums von einer Neuen Form von Materie dominiert ist, wohingegen die uns bekannte Materie wie Elektronen oder Quarks nur 30% der Gesamtmasse ausmachen. Um heute diese Fragen zu beantworten brauchen wir hochmoderne Technologie und wir werden einen signifikanten Teil der PRISMA-Gelder hierfür verwenden, insbes. für einen neuen Elektronenbeschleuniger MESA, der weltweit einzigartig sein wird.

27 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI MAMI – Facts & Figures Linear-Beschleuniger mit Hochfrequenz-Beschleunigerstrukturen Nun, was beschäftigt uns bei PRISMA? Es ist nichts geringeres als die alte faustische Frage: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Moderne Formulierungen dieser Frage lauten beispielsweise: Welcher Mechanismus vermittelt Elementarteilchen überhaupt eine Masse? Warum es so viel mehr Materie als Antimaterie hier auf der Erde, im Sonnensystem und überall sonst im Universum? Letztlich sind wir auf der Suche nach bisher unbekannten Teilchen und Kräften in der Natur, die dann auch eine Antwort auf die oben genannten Fragen geben könnten. - Eine der drängendsten Fragen ist die nach der mysteriösen Dunklen Materie. Wir stellen i.d.T. fest, dass die Gesamtmasse des Universums von einer Neuen Form von Materie dominiert ist, wohingegen die uns bekannte Materie wie Elektronen oder Quarks nur 30% der Gesamtmasse ausmachen. Um heute diese Fragen zu beantworten brauchen wir hochmoderne Technologie und wir werden einen signifikanten Teil der PRISMA-Gelder hierfür verwenden, insbes. für einen neuen Elektronenbeschleuniger MESA, der weltweit einzigartig sein wird.

28 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Einstein E=mc2 MAMI-Strahlenergie erlaubt Produktion von Teilchen mit einer Masse m von maximal ca. 1 GeV/c2 e e p Nun, was beschäftigt uns bei PRISMA? Es ist nichts geringeres als die alte faustische Frage: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Moderne Formulierungen dieser Frage lauten beispielsweise: Welcher Mechanismus vermittelt Elementarteilchen überhaupt eine Masse? Warum es so viel mehr Materie als Antimaterie hier auf der Erde, im Sonnensystem und überall sonst im Universum? Letztlich sind wir auf der Suche nach bisher unbekannten Teilchen und Kräften in der Natur, die dann auch eine Antwort auf die oben genannten Fragen geben könnten. - Eine der drängendsten Fragen ist die nach der mysteriösen Dunklen Materie. Wir stellen i.d.T. fest, dass die Gesamtmasse des Universums von einer Neuen Form von Materie dominiert ist, wohingegen die uns bekannte Materie wie Elektronen oder Quarks nur 30% der Gesamtmasse ausmachen. Um heute diese Fragen zu beantworten brauchen wir hochmoderne Technologie und wir werden einen signifikanten Teil der PRISMA-Gelder hierfür verwenden, insbes. für einen neuen Elektronenbeschleuniger MESA, der weltweit einzigartig sein wird. p X Produktion eines Teilchens X in Streuprozess von Elektronen an einem Proton

29 | Das Mainzer Mikrotron – MAMI Das Standardmodell der Teilchenphysik Fundamentale Fermionen + Eichbosonen = Austauschteilchen von drei Wechselwirkungen, d.h. Kräften = Bausteine der Materie (z.B. Proton =uud Quarks) g elektromagnetische WW wirkt auf Quarks + el. gel. Leptonen g starke WW wirkt auf Quarks W ±,Z schwache WW wirkt auf Quarks + alle Leptonen Nun, was beschäftigt uns bei PRISMA? Es ist nichts geringeres als die alte faustische Frage: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Moderne Formulierungen dieser Frage lauten beispielsweise: Welcher Mechanismus vermittelt Elementarteilchen überhaupt eine Masse? Warum es so viel mehr Materie als Antimaterie hier auf der Erde, im Sonnensystem und überall sonst im Universum? Letztlich sind wir auf der Suche nach bisher unbekannten Teilchen und Kräften in der Natur, die dann auch eine Antwort auf die oben genannten Fragen geben könnten. - Eine der drängendsten Fragen ist die nach der mysteriösen Dunklen Materie. Wir stellen i.d.T. fest, dass die Gesamtmasse des Universums von einer Neuen Form von Materie dominiert ist, wohingegen die uns bekannte Materie wie Elektronen oder Quarks nur 30% der Gesamtmasse ausmachen. Um heute diese Fragen zu beantworten brauchen wir hochmoderne Technologie und wir werden einen signifikanten Teil der PRISMA-Gelder hierfür verwenden, insbes. für einen neuen Elektronenbeschleuniger MESA, der weltweit einzigartig sein wird. + Higgs - Boson H vermutlich entdeckt