Niemiecki Synchrotron Elektronowy

DESY (skrót od Deutsches Elektronen-Synchrotron – Niemiecki Synchrotron Elektronowy) – laboratorium fizyki i ośrodek badawczy, zlokalizowany w Hamburgu. DESY należy do największych europejskich ośrodków naukowych, posiada drugi (po CERN-ie) co do wielkości w Europie akcelerator cząstek

Akceleratory

Wszystkie kolejno budowane w DESY akceleratory były urządzeniami w swoim czasie unikalnymi na świecie i wykorzystującymi nowatorskie rozwiązania techniczne. Kolejne urządzenia oferują coraz wyższe energie i intensywności rozpędzanych wiązek. Wcześniej wybudowane akceleratory, po zakończeniu programu badań naukowych, służą zazwyczaj jako wstępne stopnie przyspieszania dla nowych urządzeń.

DESY - budowa tego synchrotronu rozpoczęła się w roku 1960, pierwszą wiązkę dostarczył w roku 1964. DESY był wówczas największym tego typu akceleratorem na świecie, zdolnym rozpędzać elektrony do energii 7.4 GeV. Przy ich pomocy dokonane zostały w roku 1966 precyzyjne testy elektrodynamiki kwantowej, potwierdzające jej przewidywania.
Program badań naukowych przy akceleratorze zakończył się w roku 1976, DESY służy od tego czasu przede wszystkim jako wstępny stopień rozpędzania dla później zbudowanych urządzeń. Okazjonalnie wykorzystywany był jednak nadal jako źródło wysokoenergetycznych elektronów i fotonów, przede wszystkim do testowania detektorów cząstek. W latach 1986-1988 DESY zostało gruntownie przebudowane na potrzeby pierścienia HERA i składa się obecnie z synchrotronu elektronowego DESY II i synchrotronu protonowego DESY III.
Przy DESY prowadzono też pierwsze badania wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe, demonstrując użyteczność tego narzędzia dla wielu dziedzin nauki.

DORIS (skrót od Doppel Ring Speicher) był pierwszym w DESY pierścieniem akumulacyjnym umożliwiającym przechowywanie i zderzanie ze sobą przeciwbieżnych wiązek elektronów i pozytonów. Budowa rozpoczęła się w roku 1969, uruchomienie nastąpiło w roku 1974. DORIS ma całkowitą długość około 300 metrów, zderzenia wiązek następują w dwóch prostoliniowych sekcjach pierścienia. Energia każdej z wiązek początkowo wynosiła 3.5 GeV, potem podniesiona została do 5.3 GeV, aby umożliwić rezonansową produkcję mezonu Ypsilon.
Do najciekawszych odkryć dokonanych przy użyciu DORIS należą: obserwacja stanów wzbudzonych charmonium w roku 1975 i odkrycie, w roku 1987 oscylacji w układzie B0 - anty-B0, analogicznych do oscylacji neutralnych mezonów K.
Od roku 1980 DORIS wykorzystywany jest jako źródło promieniowania synchrotronowego do badań materiałowych, strukturalnych i biologicznych. Początkowo wykorzystywano do badań promieniowanie powstające jako produkt uboczny przy utrzymywaniu elektronów na kołowych orbitach. W roku 1984 akcelerator wyposażony został w wigglery i undulatory - urządzenia w których elektrony są prowadzone przez system magnesów po silnie zakrzywionych "wężowatych" orbitach, co znacznie zwiększa intensywność tego promieniowania.
Program badań w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych przy DORIS zakończony został w roku 1992 i od tego czasu akcelerator wykorzystywany jest wyłącznie jako źródło promieniowania synchrotronowego.

PETRA (skrót od Positron-Elektron Tandem Ring Anlage) była, podobnie jak DORIS, pierścieniem akumulacyjnym umożliwiającym wielogodzinne utrzymywanie wiązek elektronów i pozytonów na kołowych orbitach i zderzanie ich ze sobą w czterech punktach na obwodzie pierścienia. Z długością pierścienia wynoszącą 2304 metry i nominalną energią wiązek wynoszącą 17.3 GeV, PETRA była, w chwili oddania do użytku w roku 1979, największym na świecie tego typu urządzeniem. Maksymalna, osiągnięta w roku 1984 energia wiązek Petry wyniosła 21.8 GeV (co odpowiada 43.6 GeV energii zderzenia w układzie środka masy).
Produkty zderzeń wiązek rejestrowane były przez cztery duże detektory: CELLO, JADE, MARK-J i TASSO, wybudowane i użytkowane przez międzynarodowe zespoły naukowe. Najciekawsze naukowo wyniki uzyskane przy akceleratorze, to odkrycie gluonu w roku 1979 i badania mechanizmu hadronizacji, czyli zamiany powstałych w zderzeniu wysokoenergetycznych kwarków i gluonów w obserwowalne cząstki -- hadrony. Pomiary te stanowiły testy chromodynamiki kwantowej.
Program badań w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych został zakończony w roku 1986, zaś PETRA, podobnie jak DESY, została przebudowana na preakcelerator dla pierścienia HERA, m.in. przez dobudowanie w tym samym tunelu synchrotronu rozpędzającego protony do energii 40 GeV. W roku 1995 w wiązkę elektronową PETRY wbudowano pierwszy undulator, zamieniając tym samym akcelerator w kolejne źródło światła synchrotronowego. Po zakończeniu programu HERA planowana jest przebudowa akceleratora na najsilniejsze w DESY (i jedno z najsilniejszych na świecie) źródło promieniowania synchrotronowego.

HERA (skrót od Hadron Elektron Ring Anlage) jest pierścieniem o długości 6336 m i tym samym największym akceleratorem w DESY. Jest też pierwszym i jednym do tej pory na świecie zderzaczem przeciwbieżnych wiązek elektronów i protonów. Budowa akceleratora rozpoczęła się w roku 1986, oddany do użytku został w roku 1992, a zakończył działanie w lipcu 2007.
Maksymalne energie wiązek HERY wynoszą: 920 GeV dla wiązki protonów i 30 GeV dla wiązki elektronów (co odpowiada 330 GeV maksymalnej energii zderzenia w układzie środka masy. Istnieje możliwość użycia wiązki pozytonów w miejsce elektronów. Od roku 2001 możliwe jest zderzanie podłużnie spolaryzowanych wiązek elektronów.
Pierścień protonowy Hery wykorzystuje do utrzymania cząstek na orbicie technologię elektromagnesów nadprzewodzących, natężenie pola magnetycznego przy maksymalnej energii wiązki protonowej wynosi 5,5 T. Dla chłodzenia magnesów do temperatury pracy 4,2 K w DESY wybudowano największą podówczas w Europie skraplarnię helu.
Ze względu na swoje rozmiary, pierścień HERA wykracza daleko poza teren samego laboratorium. Dlatego zbudowany został w tunelu wydrążonym na głębokości kilkunastu metrów pod ziemią. Większa część akceleratora przebiega pod terenem parku ludowego (Altonaer Volkspark). W czterech równo odległych punktach na obwodzie pierścienia zlokalizowane są podziemne hale eksperymentalne. W dwóch z nich zachodzą zderzenia wiązek, w pozostałych dwóch możliwe są tylko doświadczenia pojedynczą wiązką.
Produkty zderzeń elektronów z protonami obserwowane były przez dwa wielkie detektory: ZEUS i H1. Oba urządzenia skonstruowane są w taki sposób, by wykryć i precyzyjnie zmierzyć kierunki lotu i energie produktów zderzenia. Jednoczesne prowadzenie pomiarów przez dwa detektory pozwoliło na krzyżowe sprawdzanie wyników, dla wyeliminowania ewentualnych błędów pomiarowych. Eksperymenty te m.in. potwierdziły teorie wchodzące w skład modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych i pozwoliły na precyzyjne pomiary parametrów tego modelu. Dokonały też pomiarów struktury wewnętrznej protonu z nieosiągalną wcześniej rozdzielczością.
Poza wymienionymi dużymi detektorami od roku 1995 przy Herze działał eksperyment HERMES, którego celem było badanie spinowej struktury protonu, przez rozpraszanie podłużnie spolaryzowanej wiązki elektronów na tarczy gazowej, zaś w latach 1999-2003 zbierał dane eksperyment HERA-B, badający produkcję ciężkich kwarków w zderzeniach wiązki protonowej ze stałą tarczą.

FLASH (skrót of Freie-Elektronen Laser in Hamburg) jest liniowym akceleratorem i laserem na swobodnych elektronach, produkującym koherentne promieniowanie w zakresie dalekiego ultrafioletu i miękkiego promieniowania X. Zbudowany w roku 2004, na bazie akceleratora testowego dla projektu TESLA, wówczas pod nazwą VUV-FEL (nazwę zmieniono w roku 2006). FLASH oferuje kilka stanowisk testowych do badań z użyciem tego wyjątkowego promieniowania i jest jednocześnie poligonem testowym dla planowanego większego urządzenia XFEL.

Źródła

1. http://xfelinfo.desy.de/de/artikel.xfel-sicherheit/1/index.html
2. http://pl.wikipedia.org/wiki/DESY
3. High lights, broszura DESY, pdf