Немецкий электронный синхротрон DESY: Исследования фундаментальных наук

Введение

Немецкий национальный исследовательский центр DESY, сокращение от Deutsches Elektronen Synchrotron (англ. German Electron Synchrotron – Немецкий электронный синхротрон), – это национальный исследовательский центр фундаментальной науки, расположенный в Гамбурге и Цютине недалеко от Берлина в Германии. Он управляет ускорителями частиц, используемыми для изучения структуры, динамики и функций материи, и проводит широкий спектр междисциплинарных научных исследований в четырех основных областях: физика частиц и высоких энергий, фотонная наука, физика астрочастиц, а также разработка, строительство и эксплуатация ускорителей частиц. Название центра отсылает к его первому проекту – электронному синхротрону. DESY финансируется из государственных средств Федеративной Республики Германия и федеральных земель Гамбург и Бранденбург и является членом Ассоциации Гельмгольца.

Функции и миссия

Функция DESY заключается в проведении фундаментальных исследований исключительно в гражданских и мирных целях. Он специализируется на разработке, строительстве и эксплуатации ускорителей частиц, физике частиц, астрофизике частиц и исследованиях в области фотонной науки для изучения фундаментальных взаимосвязей между структурой, динамикой и функциями материи. В сотрудничестве с партнерскими организациями его исследования в области фотонной науки охватывают физику поверхностей, материаловедение, химию, молекулярную биологию, геофизику и медицину с использованием синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах. Помимо эксплуатации собственных крупных ускорительских комплексов, DESY участвует во многих крупных международных исследовательских проектах, таких как Европейский рентгеновский лазер свободных электронов в Германии, Большой адронный коллайдер в Швейцарии, эксперимент Belle II в Японии, нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе и международный массив телескопов Черенкова.

Места

DESY осуществляет свою деятельность в двух местах. Основное местоположение находится в районе Баренфельд города Гамбурга. В 1992 году DESY расширила свою деятельность, открыв второй центр в Цойтенe, недалеко от Берлина.

Гамбург

Местоположение DESY в Гамбурге – квартал Баренфельд, на западе города, в районе Альтона. Здесь находятся основные ускорители института.

Зеутхен

После воссоединения Германии DESY расширилась, включив в себя второй центр в Цютене под Берлином. В 1939 году немецкое почтовое ведомство основало там лабораторию ядерной физики. После Второй мировой войны лаборатория сначала получила название "Институт X", а затем стала Институтом физики высоких энергий (Institut für Hochenergiephysik IfH) – лабораторией физики высоких энергий Германской Демократической Республики, входившей в состав Академии наук ГДР. Институт был объединен с DESY 1 января 1992 года. Его деятельность сосредоточена на параллельных вычислениях для теоретической физики частиц, разработке и создании источников электронов для рентгеновских лазеров, а также на физике астрочастиц, в частности, в области гамма-астрономии и нейтринной астрономии.

Сотрудники и обучение

В DESY работает около 3000 сотрудников, представляющих более чем 60 стран. Большинство сотрудников работает в Гамбурге, около 270 – в Зютене. В эту численность входят более 130 обучающихся на различных рабочих специальностях технического профиля, а также около 500 аспирантов и постдоков, находящихся под научным руководством DESY. Кроме того, в DESY обучается большое количество студентов-магистров из различных университетов.

Бюджет и финансирование

Научно-исследовательский центр является фондом гражданского права, финансируемым из государственных средств. В 2020 году годовой бюджет DESY составил около 232 миллионов евро (по плану федерального бюджета Германии, не включая расходы на инвестиции и специальные финансовые расходы). Кроме того, DESY получил 18 миллионов евро в качестве средств, привлеченных от сторонних источников. 90% годового бюджета предоставляется Федеральным министерством образования и научных исследований Германии (Bundesministerium für Bildung und Forschung), а 10% – соответственно, Свободным и Ганзейским городом Гамбургом и федеральной землей Бранденбург.

Ускорители частиц и другие устройства

Ускорители DESY строились не одновременно, а добавлялись постепенно, по мере роста потребностей ученых в всё более высоких энергиях для углубленного изучения структуры частиц. В процессе строительства новых ускорителей, старые переоборудовались в предварительные ускорители или источники синхротронного излучения для лабораторий, решающих новые исследовательские задачи.

ДЕСИ

Синхротрон DESY (сокращение от "Deutsches Elektronen Synchrotron") работает с 1964 года. Его длина окружности составляет 300 м. До 1978 года он использовался для экспериментов по физике частиц и первых измерений с использованием синхротронного излучения. С тех пор, неоднократно перестраиваясь и модернизируясь, он служит предварительным ускорителем и установкой для испытательных пучков, обеспечивая высокоэнергетические пучки частиц для тестирования детекторы.

Дорис

Складочное кольцо DORIS (сокращение от Double Ring Storage Facility) работало с 1974 по 2013 год. Его длина окружности составляла 289 м. До 1992 года в нем сталкивались электроны с позитронами для проведения экспериментов в области физики частиц (включая эксперимент ARGUS). Начиная с 1980 года, синхротронное излучение, генерируемое DORIS, использовалось для экспериментов в области фотонной науки; с 1993 по 2012 год кольцо хранения служило исключительно источником синхротронного излучения. Эксперимент по физике частиц OLYMPUS был проведен в 2012 году, после чего DORIS был остановлен в начале 2013 года.

ПЕТРА

Звенящее кольцо PETRA (сокращение от Positron–Electron Tandem Ring Accelerator) работает с 1978 года. Его окружность составляет 2304 м. До 1986 года в PETRA сталкивались электроны и позитроны для проведения исследований в области физики частиц (эксперименты JADE, MARK J, TASSO и PLUTO). Начиная с 1990 года, PETRA использовалась в качестве предварительного ускорителя для накопительного кольца HERA, а с 1995 года – также как источник синхротронного излучения с двумя экспериментальными станциями для испытаний. С 2009 года установка предоставляет пучки жесткого рентгеновского излучения очень высокой яркости более чем 40 экспериментальным станциям под названием PETRA III.

Гера

Кольцевой накопитель HERA (сокращение от Hadron–Electron Ring Accelerator) работал с 1992 по 2007 год. Его длина окружности составляет 6 336 м. Это был самый большой кольцевой ускоритель в DESY и крупнейший исследовательский инструмент Германии на сегодняшний день. До 2007 года HERA была единственной в мире установкой кольцевого типа, обеспечивавшей столкновения электронов или позитронов с протонами для изучения физики частиц (эксперименты H1, ZEUS, HERMES и HERA B) и внутренней структуры протона.

Флэш

Свободный электронный лазер (FEL) FLASH (сокращение от Free Electron Laser in Hamburg) работает с 2000 года. Его длина составляет 315 м. Он создан на базе экспериментальной установки для сверхпроводящих ускорителей, построенной в 1997 году для проекта TESLA, и с 2005 года используется как пользовательская установка для проведения экспериментов с излучением, генерируемым FEL. FLASH предоставляет ультракороткие световые импульсы в экстремальном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах для семи экспериментальных станций и также служит испытательным полигоном для разработки технологий ускорителей и FEL.

Европейский ускоритель XFEL

DESY управляет 1,7-километровым сверхпроводящим линейным ускорителем европейского лазера свободных электронов XFEL, источником ультракоротких импульсов рентгеновского излучения высокой энергии, являющимся международным исследовательским центром.

ПИТЗ

С 2001 года на площадке DESY в Цёйтене функционирует испытательный стенд фотоинжекторов PITZ — линейный ускоритель, предназначенный для исследования, оптимизации и подготовки источников электронов для FLASH и (с 2015 года) для Европейского рентгеновского лазера свободных электронов (European XFEL).

Другие объекты

В здании бывшего кольца хранения DORIS сейчас располагается ускорительный комплекс SINBAD ("Короткие инновационные пучки и ускорители в DESY") с различной инфраструктурой для исследований и разработок в области ускорителей: линейный ускоритель ARES для исследований ускорителей с использованием ультракоротких электронных импульсов в медицинских целях, установка AXSIS для терагерцевого ускорения с целью генерации ультракоротких рентгеновских импульсов для материаловедения или медицинской визуализации, и высокомощный лазер KALDERA для исследований ускорения плазмы с лазерным приводом. Установка LUX также используется для исследований ускорения плазмы с помощью лазера, а также эксперимент FLASHForward на FLASH для ускорения плазмы с помощью электронного пучка. Релятивистский источник электронного пучка REGAE генерирует ультракороткие электронные импульсы для дифракционных экспериментов с временным разрешением. В туннеле бывшего кольца хранения HERA теперь находится эксперимент ALPS II, использующий переоборудованные сверхпроводящие дипольные магниты протонного кольца HERA для изучения чрезвычайно легких частиц.

Вычислительные технологии

DESY предоставляет значительные ресурсы для хранения и вычислений для исследований во всех своих подразделениях. В рамках Всемирной вычислительной сети Большого адронного коллайдера (WLCG), DESY также управляет компьютерным центром второго уровня, который обеспечивает вычислительные системы и хранилища данных для экспериментов ATLAS, CMS и LHCb на Большом адронном коллайдере (LHC). Помимо этого, сетевой инфраструктурой DESY пользуются и другие эксперименты, такие как Belle II или IceCube.

Области исследований

Исследования в DESY организованы в четырех подразделениях: ускорители, наука о фотонах, физика частиц и физика астрочастиц. Подразделение «Ускорители» разрабатывает фундаментальные технологии для ускорительских комплексов, которые DESY и его партнеры используют в своей научной деятельности. Помимо эксплуатации и дальнейшего развития существующих объектов (проекты PETRA IV и FLASH2020+, расширение European XFEL), основными направлениями деятельности являются исследования новых концепций ускорителей, в частности, ускорение на основе плазменного просыпа, и совершенствование технологии сверхпроводящих радиочастотных ускорителей. В подразделении «Наука о фотонах» фотоны используются для изучения структуры, динамики и функций материи. Для этого подразделение разрабатывает, строит и эксплуатирует пучки и экспериментальные установки на источниках света DESY – PETRA III и FLASH. Каждый год более 3000 исследователей – большинство из университетов, но также из научно-исследовательских институтов, не входящих в университетскую систему, и промышленности – из более чем 40 стран проводят эксперименты на источниках света и в лабораториях DESY. Спектр исследований охватывает широкий диапазон – от фундаментальных исследований до прикладных и промышленных проектов в области физики, химии, биологии, медицины, наук о жизни, наук о Земле, материаловедения, а также изучения культурного наследия. Подразделение «Физика частиц» участвует в крупномасштабных экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе, расположенном недалеко от Женевы. В рамках международных коллабораций, проводящих эксперименты ATLAS и CMS, DESY вносит вклад во многие разработки на LHC, начиная от проектирования оборудования и анализа данных и заканчивая подготовкой к запланированным модернизациям. DESY также участвует в эксперименте Belle II на электронно-позитронном коллайдере SuperKEKB в исследовательском центре KEK в Цукубе (Япония), а также в разработке возможных будущих электронно-позитронных линейных коллайдеров. Подразделение также активно занимается теоретической физикой частиц. Подразделение «Физика астрочастиц» исследует высокоэнергетические процессы во Вселенной. Для анализа нейтрино и гамма-лучей из космоса, которые могут предоставить информацию о космических явлениях – черных дырах, взрывающихся звездах и вспышках излучения экстремальной интенсивности – используются детекторы и телескопы. В этой связи DESY участвует в гамма-телескопах MAGIC, H.E.S.S. и VERITAS, а также в космическом гамма-телескопе Fermi и вносит вклад в планируемый массив телескопов Черенкова (CTA). DESY является вторым по величине партнером в обсерватории IceCube на Южном полюсе.

Research at DESY is organised into four divisions: Accelerators, Photon Science, Particle Physics and Astroparticle Physics. The Accelerator division develops fundamental technologies for the accelerator facilities that DESY and its partners use in their scientific mission. In addition to the operation and further development of existing facilities (PETRA IV and FLASH2020+ projects, expansion of the European XFEL), essential activities include research into new accelerator concepts, in particular plasma wakefield acceleration, and the improvement of superconducting radio frequency accelerator technology. In the Photon Science division, photons are being used to study the structure, dynamics and function of matter. To this end, the division develops, builds and operates beamlines and experiments at the DESY light sources PETRA III and FLASH. Every year, more than 3,000 researchers – most of them from universities, but also from non university research institutions and industry – from over 40 countries conduct experiments at the light sources and in the laboratories at DESY. The research spectrum ranges from basic research to applied research and industrial collaborations in physics, chemistry, biology, medicine, life sciences, earth sciences, materials research as well as the study of cultural heritage. The Particle Physics division is involved in the large scale experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN near Geneva. As part of the international collaborations that run the ATLAS and CMS experiments, DESY contributes to many developments at the LHC, from hardware design and data analysis to preparations for the planned upgrades. DESY also participates in the Belle II experiment at the electron–positron collider SuperKEKB at the research centre KEK in Tsukuba, Japan, as well as in developments for possible future electron–positron linear colliders. It is also active in theoretical particle physics. The Astroparticle Physics division investigates high energy processes in the universe. Detectors and telescopes are used to analyse neutrinos and gamma rays from space, which can provide information about cosmic phenomena: black holes, exploding stars and radiation bursts of extreme intensity. To this end, DESY is involved in the gamma telescopes MAGIC, H. E. S. S. and VERITAS as well as the Fermi Gamma ray Space Telescope, and it contributes to the planned Cherenkov Telescope Array (CTA). It is the second largest partner in the IceCube observatory at the South Pole.

История

DESY была основана 18 декабря 1959 года в Гамбурге. Согласно уставу DESY, ее миссия заключается в "содействии фундаментальным научным исследованиям, в частности, путем разработки, строительства и эксплуатации ускорителей и их научного использования в науке о фотонах и в области физики частиц и астрочастиц, а также посредством научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, связанных с этим". С 1959 по 2007 год ускорители DESY использовались в основном для физики частиц, первоначально с одноименным электронным синхротроном DESY (1964 – настоящее время), затем DORIS (Установка хранения двойных колец, 1974–1992), PETRA (Установка позитронов–электронных тандемных колец, 1978 – настоящее время) и HERA (Ускоритель электронных колец адронов, 1992–2007). В 1987 году эксперимент ARGUS в DORIS впервые наблюдал значительное смешивание B-мезонов и, таким образом, процесс, в котором материя и антиматерия ведут себя по-разному. Наиболее важным открытием экспериментов TASSO, JADE, MARK J и PLUTO на PETRA было обнаружение глюона, частицы-переносчика сильного взаимодействия, в 1979 году. Параллельно, еще в 1960-х годах, исследовательские группы DESY, различных университетов и Общества Макса Планка разработали технологию использования синхротронного излучения, производимого ускорителями. Чтобы удовлетворить быстро растущий национальный и европейский спрос, DESY основала свою собственную большую лабораторию: Гамбургскую лабораторию синхротронного излучения HASYLAB, которая открылась в 1980 году. Она предоставила экспериментальные станции на DORIS, и именно здесь израильский биохимик Ада Йонат (Нобелевская премия по химии 2009) проводила эксперименты с 1986 по 2004 год, которые привели к расшифровке структуры рибосомы. С 1995 года на PETRA проводились эксперименты как с синхротронным излучением, так и по физике частиц. В 2009 году установка PETRA была модернизирована для исключительного использования в качестве источника синхротронного излучения для жесткого рентгеновского диапазона (PETRA III). С закрытием DORIS в начале 2013 года название HASYLAB было упразднено, и использование источников света DESY с тех пор осуществляется в рамках его подразделения Photon Science. В начале 1990-х годов DESY начала разрабатывать новую технологию: радиочастотный ускоритель на основе сверхпроводящих резонаторов из ниобия, которые охлаждаются до примерно 2 К (-271 °C) жидким гелием. Первым ускорителем на этой основе стала испытательная установка для сверхпроводящих линейных ускорителей в DESY, предназначенная для проверки принципа самовозбужденного спонтанного излучения (SASE) рентгеновского лазерного света. Теория SASE была разработана и усовершенствована в DESY и в институтах России, Италии и США с 1980 года. В 2000–2001 годах испытательный центр DESY стал первым в мире лазером на свободных электронах, который генерировал световые импульсы в вакуумном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. Сегодня установка FLASH производит ультракороткие световые импульсы в мягком рентгеновском диапазоне для семи экспериментальных станций. С 2020 года она была расширена для дальнейшей оптимизации характеристик излучения (проект FLASH2020+). С 2009 по 2016 год международный консорциум во главе с DESY разработал европейский лазер на свободных электронах European XFEL. Международный исследовательский центр, в котором участвуют 12 европейских стран-учредителей, управляется некоммерческой компанией European XFEL GmbH. Основным элементом установки является сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. С энергией электронов 17,5 ГэВ он является самым мощным сверхпроводящим линейным ускорителем в мире на сегодняшний день. DESY управляет ускорителем от имени European XFEL GmbH. С 2010 года DESY разрабатывает технологию плазменных ускорителей (как с лазерным, так и с электронным пучком) в качестве возможной альтернативы традиционным ускорителям, с целью создания компактных ускорителей для науки о фотонах, физики частиц, а также медицинских и промышленных приложений.

DESY was founded on 18 December 1959 in Hamburg. According to its statutes, DESY's mission is "the promotion of basic scientific research [ ] in particular through the development, construction and operation of accelerators and their scientific use, in photon science and in the fields of particle and astroparticle physics, as well as through research and development work related thereto". From 1959 to 2007, the DESY accelerators were primarily used for particle physics, initially with the eponymous DESY electron synchrotron (1964–present), followed by DORIS (Double Ring Storage Facility, 1974–1992), PETRA (Positron–Electron Tandem Ring Facility, 1978–present) and HERA (Hadron–Electron Ring Accelerator, 1992–2007). In 1987, the ARGUS experiment at DORIS was the first to observe a large mixing of B mesons and thus a process in which matter and antimatter behave differently. The most important discovery of the experiments TASSO, JADE, MARK J and PLUTO at PETRA was the detection of the gluon, the messenger particle of the strong force, in 1979. In parallel, as early as the 1960s, research groups from DESY, various universities and the Max Planck Society developed the technology for using the synchrotron radiation produced by the accelerators. To meet the rapidly growing national and European demand, DESY founded its own large laboratory: the Hamburg Synchrotron Radiation Laboratory HASYLAB, which opened in 1980. It provided measuring stations at DORIS, and it was here that the Israeli biochemist Ada Yonath (Nobel Prize in Chemistry 2009) conducted experiments from 1986 to 2004 that led to her deciphering the ribosome. From 1995, both synchrotron radiation and particle physics experiments were conducted at PETRA. In 2009, the PETRA facility was upgraded for exclusive use as a synchrotron radiation source for hard X rays (PETRA III). With the shutdown of DORIS in early 2013, the name HASYLAB was abandoned, and the use of DESY's light sources has since been carried out in its Photon Science division. In the early 1990s, DESY began to develop a new technology: radio frequency accelerator technology based on superconducting cavities made of niobium, which are cooled to approximately 2 K (−271 °C) with liquid helium. The first accelerator on this basis was a test facility for superconducting linear accelerators at DESY to test the principle of self amplified spontaneous emission (SASE) of X ray laser light. The SASE theory was developed and refined at DESY and at institutes in Russia, Italy and the USA from 1980 onwards. In 2000 to 2001, the test facility at DESY was the first free electron laser in the world to produce light flashes in the vacuum ultraviolet and soft X ray range. Today, the FLASH facility produces ultrashort light pulses in the soft X ray range for seven experimental stations. Since 2020, it has been expanded to further optimise the properties of the radiation (FLASH2020+ project). From 2009 to 2016, an international consortium led by DESY developed the European X ray free electron laser European XFEL. The international research facility, which involves 12 European shareholder countries, is operated by the non profit company European XFEL GmbH. The core of the facility is a 1.7 km superconducting linear accelerator. With an electron energy of 17.5 GeV, it is the most powerful superconducting linear accelerator in the world to date. DESY operates the accelerator on behalf of European XFEL GmbH. Since 2010, DESY has been developing plasma based accelerator technology (both laser and electron beam driven) as a possible alternative to conventional accelerator technologies, with the aim of enabling compact accelerators for photon science, particle physics as well as medical and industrial applications.

Передача знаний и технологий

DESY стремится поддерживать стартапы и внедрять знания, полученные в результате фундаментальных исследований, в практическое применение. Он оказывает коммерческим компаниям поддержку в решении промышленных задач, например, предоставляя специализированный доступ к источникам фотонов и лабораториям, разрабатывает идеи, приложения и продукты на основе фундаментальных исследований, а также поддерживает своих сотрудников в создании стартапов, использующих технологии DESY, в регионах Гамбурга и Бранденбурга. DESY предоставляет стартапам доступ к офисам, лабораториям и мастерским в DESY Innovation Village и Start up Labs Bahrenfeld, созданных совместно с Гамбургским университетом и городом Гамбург.