Das MAGIX Experiment

Das MAGIX-Experiment


Der zukünftige Elektronenbeschleuniger MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator) an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wird Untersuchungen zur Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik aufnehmen. Dabei steht die Suche nach Dunklen Photonen, die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten, neben den Präzisionsmessungen von Naturkonstanten, wie z.B. dem Protonenradius oder dem elektroschwachen Mischungswinkel (Weinbergwinkel) im Fokus. Seit 2017 werden die ersten Komponenten des Beschleunigers MESA in Mainz getestet und bis 2023 soll die Anlage komplett betriebsfähig sein.


Das MAGIX-Experiment (MESA Gas Internal target eXperiment) wird sich in dem energierückgewinnenden Arm des Beschleunigers befinden. An dieser Stelle können Energien von bis zu 105 MeV bei einem Strahlstrom von 1 mA erreicht werden. Bei MAGIX handelt es sich um ein Fixed-Target Experiment mit hoher Luminosität (1035 cm-2 s-1), welches einen Gas-Jet als Target und ein Vielzweckspektrometer als Detektor verwendet. In der folgenden Abbildung ist dargestellt, wie der waagerechte Elektronenstrahl auf den senkrechten Gas-Jet treffen wird und so den Wechselwirkungspunkt definiert. Zudem sind die beiden Magnetspektrometer zu sehen, die sich auf einer Kreisbahn um den Kollisionspunkt bewegen und die Winkel und Impulse der gestreuten Elektronen messen.

Das MAGIX-Experiment an MESA.
© AG Khoukaz
Mainztarget
Das Target für das MAGIX-Experiment.
© AG Khoukaz

Gas-Targets stellen kontinuierlich Targetmaterial mit konstanter Dichte zur Verfügung, welche über mehrere Wochen stabil ist. Direkt hinter der Düse lassen sich Dichten in der Größenordnung von 1019 Atomen/cm2 erreichen. Das Gas-Jet Target bietet die Möglichkeit auch als Cluster-Jet Target betrieben zu werden, dies ist durch entsprechende Druck- und Temperatureinstellungen an der Düse zu realisieren (vgl. Cluster-Jet Target). Das verwendete Gas-Jet Target wurde in dieser Arbeitsgruppe entworfen und aufgebaut.

Seit dem Sommer 2017 ist das MAGIX-Target am A1-Experiment in Mainz regelmäßig in Betrieb. Dieses besteht - ähnlich wie es auch für MAGIX geplant ist - aus drei Magnetspektrometern und befindet sich am Mainzer Mikrotron (MAMI). Dort werden Experimente zur elastischen Streuung eines Elektronstrahls an den Protonen des Gas-Targets durchgeführt. Durch diese ersten Messungen lassen sich Erkenntnisse über die Performance des MAGIX-Targets in Kombination mit einem Elektronenbeschleuniger gewinnen und so Verbesserungen am gesamten System (Target, Streukammer, Pumpsystem, Strahlführung) ausmachen, die später einen einwandfreien Betriebsstart an MESA ermöglichen werden.


Durch die Messungen an MAMI lässt sich der Gas-Jet zum Beispiel mit dem Elektronenstrahl abscannen, sodass aus den genommenen Daten die Form des Strahls und auch dessen absolute Dichte bestimmt werden kann. Außerdem finden auch erste Messungen statt, mit denen der Protonenradius genauer vermessen werden soll, da hier die Ergebnisse von verschiedenen Experimenten deutliche Diskrepanzen aufweisen („proton radius puzzle“). Der Radius des Protons lässt sich dabei aus dem differentiellen Wirkungsquerschnitt bei verschiedenen Strahlenergien ermitteln. Der gemessene Wirkungsquerschnitt unter verschiedenen Winkeln aus einer der ersten Messungen mit dem MAGIX-Target ist in der folgenden Abbildung für eine Strahlenergie zu sehen.

Crosssection
Gemessener Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung von Elektronen an Protonen des MAGIX-Targets.
© WWU Münster