21-Tonnen-Magnet für Teilchenbeschleuniger

Eines der Leuchtturm­projekte des Exzellenz­clusters Prisma+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz 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, P2, wird durch die Messung des schwachen Mischungs­winkels eine Schlüsselrolle bei der Erforschung einer 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 in den Mesa-Teilchen­beschleuniger eingebaut worden.

Der Magnet wurde in Vannes, Frankreich, hergestellt und Ende November 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 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 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 speziellen Mobilkran mit einem mehr als dreißig 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. 

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 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.

JGU Mainz / JOL