Das MAGIX-Experiment
Der zukünftige Elektronenbeschleuniger MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator) an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz konzentriert sich auf Untersuchungen zur Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik. Zu seinen Hauptforschungsgebieten zählen die Suche nach dunklen Photonen, die als Kandidaten für dunkle Materie gelten, sowie Präzisionsmessungen von Fundamentalkonstanten wie dem Protonenradius oder dem elektroschwachen Mischungswinkel (Weinberg-Winkel). Die ersten Komponenten des MESA-Beschleunigers werden seit 2017 getestet, und die erste Strahlzeit wird für 2027 erwartet.
Das MAGIX-Experiment (MAinz Gas Injection Target EXperiment) befindet sich im ERL-Sektor (Energy-Recovery Linac) des Beschleunigers. Hier können Strahlenergien von bis zu 105 MeV bei einem Strom von 1 mA (und später bis zu 10 mA) erreicht werden. MAGIX ist ein Fixed-Target Experiment mit hoher Luminosität (1035 cm-2 s-1), bestehend aus einem Jet-Target und zwei multifunktionalen magnetischen Spektrometern, die sich auf einer Kreisbahn um den Wechselwirkungspunkt bewegen können, um die Winkel und Impulse der gestreuten Elektronen zu messen.
Um die experimentellen Anforderungen von MAGIX zu erfüllen, ist ein hochmodernes Target erforderlich. Damit der ERL betrieben werden kann, muss das Target dünn genug sein, um den Energieverlust des Strahls zu minimieren. Umgekehrt ist eine hohe Targetdichte erforderlich, um die notwendige Luminosität zu erreichen. Zudem muss das Target fensterlos sein, um einen irreduziblen Hintergrund und Energieverluste des Strahls in Fenstermaterialien zu vermeiden.
Es muss außerdem je nach experimentellen Anforderungen mit verschiedenen Gasen betrieben werden können. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, wird MAGIX ein kryogenes, fensterloses Jet-Target verwenden, das mit Wasserstoff, Helium und fast allen schwereren Gasen betrieben werden kann. Im Betrieb mit Wasserstoff kann das MAGIX-Jet-Target am Wechselwirkungspunkt einen hochdichten Jet von bis zu 1018 atoms/cm2 liefern. Dieses Jet-Target wurde in unserer Arbeitsgruppe entworfen und konstruiert.
Seit 2017 wird das MAGIX-Target im A1-Experiment in Mainz betrieben. Ähnlich wie die zukünftige MAGIX-Anlage, besteht das A1-Experiment über drei magnetische Spektrometer und befindet sich am Mainzer Mikrotron (MAMI).
In diesen Experimenten wird die elastische Streuung eines Elektronenstrahls an Protonen aus dem Jet-Target untersucht. Diese ersten Messungen liefern wertvolle Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit des MAGIX-Targets in Kombination mit einem Elektronenbeschleuniger und ermöglichen Optimierungen (am Target, in der Streukammer, am Pumpsystem und an der Strahlführung), um einen reibungslosen Start bei MESA zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen diese Messungen Formfaktoranalysen.
Im Frühjahr und Sommer 2026 wurde das MAGIX-Target bei A1/MAMI im Filament-Target-Modus betrieben und interagierte dabei mit dem Elektronenstrahl.
Es wurde zunächst mit Wasserstoff eingesetzt, um das Rätsel um den Protonenradius weiter zu untersuchen, und später mit Argon, um die Argon-Kernstruktur zu erforschen und Elektronenstreuungsdaten zu liefern, die für die Modellierung der Neutrino-Argon-Wechselwirkung in Experimenten wie DUNE relevant sind. Dieser Betrieb reduzierte den Hintergrund im Vergleich zu früheren Messungen weiter und ermöglichte sauberere, präzisere und nahezu hintergrundfreie Messungen.
Im Herbst 2026 wurde eine weitere Elektronenstrahlkampagne mit dem MAGIX-Target durchgeführt, diesmal unter Verwendung von Helium-4 im Gas- Jet-modus. Die Betriebsparameter wurden zunächst mithilfe von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) vorhergesagt.
Messungen wurden bei verschiedenen kinematischen Einstellungen durchgeführt, um die Monopolresonanz in Helium-4 mit hoher Präzision und unter nahezu hintergrundfreien Bedingungen zu untersuchen.
Bachelor-, Master- und Doktoranden haben die Möglichkeit, an verschiedenen Schlüsselaufgaben mitzuarbeiten, die zur Weiterentwicklung des MAGIX-Targets beitragen. Dazu gehören Projekte im Bereich der Simulation von Düsen- und Targetkomponenten, der Vakuum- und Jetentwicklung, der Erprobung neuer Targetkomponenten sowie der Analyse von Strahlzeitdaten.