Eines der Leuchtturmprojekte der Uni ist der Bau des neuen, energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator), der Experimente mit bisher unerreichter Präzision ermöglichen soll. Eines der Hauptexperimente wird durch die Messung des sogenannten schwachen Mischungswinkels eine Schlüsselrolle bei der Erforschung der „neuen Physik“ – Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik– spielen.
Die zentrale Komponente, eine supraleitende Magnetspule mit einem Durchmesser von vier Metern und einem Gewicht von 21 Tonnen, wurde jetzt auf dem Campus angeliefert und in den MESA-Teilchenbeschleuniger eingebaut.
Der Magnet wurde in Vannes, Frankreich, hergestellt und am vergangenen Donnerstag 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 Prof. Dr. Frank Maas, Sprecher des P2-Experiments, das zurzeit von einer Kollaboration aus 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 (bei ca. minus 269 °C) 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 Spezialtransport aus Vannes, in der Bretagne, angeliefert und mit einem speziellen Mobilkran mit einem mehr als 30 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.
Ein Magnet, zwei Hauptaufgaben
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 spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung dieser fundamentalen Größe des Standardmodells und 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.
Ein neues Gebäude für MESA
Ein Teil der unterirdischen Hallen wurde mit dem „Centrum für Fundamentale Physik“ (CFP) neu gebaut. Das CFP bildet den baulichen Rahmen für zentrale Forschungsprojekte von PRISMA+, zu denen allen voran MESA zählt. Im Rahmen des CFP I wurden bestehende unterirdische Experimentierhallen des Instituts für Kernphysik um eine rund 600 Quadratmeter umfassende Halle erweitert. Die vorhandenen Hallen wurden modernisiert und teilweise umgebaut. Dazu gehören Hallen des seit 1979 erfolgreich betriebenen Elektronenbeschleunigers Mainzer Mikrotron (MAMI). Die neue MESA-Halle ist direkt daran angebaut, sodass der bestehende Strahlfänger in die Baumaßnahme integriert ist. Die Hallen sind über großformatige Wanddurchbrüche verbunden, um damit insgesamt ausreichend Platz für den MESA-Beschleuniger und die dazugehörigen wissenschaftlichen Experimente zu schaffen.
Foto/©: Twain Wegner