Крошечные частицы, которые ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Сверхяркие вспышки света, которые исследователи могут использовать, чтобы заглянуть в молекулярную структуру материи. Многим трудно представить процессы, происходящие на исследовательской площадке DESY в Гамбурге-Баренфельде. Установка с ускорительными трубками, основанная 18 декабря 1959 года, сейчас является одной из важнейших в мире установок по исследованию материи. В DESY ученые со всего мира ищут основные строительные блоки мира, расшифровывают молекулы белка или анализируют материалы с совершенно новыми свойствами.
В 1959 году федеральные министры Зигфрид Бальке (слева) и Макс Брауэр подписывают соглашение об учреждении DESY в Гамбурге.Это стало стартовым сигналом для одного из самых важных в мире институтов по исследованию мельчайших частиц:18 декабря 1959 года тогдашний мэр Гамбурга Макс Брауэр и федеральный министр атомной энергетики и водного хозяйства Зигфрид Бальке подписали государственный в мэрии Гамбурга был заключен договор об основании «Немецкого фонда электронных синхротронов», сокращенно DESY. Проект новаторский — в то время ускорители частиц были доступны лишь в нескольких странах, включая США. Ожидается, что стоимость системы составит 100 миллионов немецких марок, 90 процентов из которых будет нести Федеральное министерство, а десять процентов - город Гамбург.
В поисках мельчайших частиц
Но зачем все эти усилия? Исследователи обнаружили, что крошечных строительных блоков материи гораздо больше, чем считалось ранее. Говорят о целом «зоопарке частиц». С конца 1950-х годов исследователи в Германии стремились искать мельчайшие строительные блоки материи. Объект будет построен в Гамбурге-Баренфельде - на месте, которое в прошлом использовалось как плац и военный аэропорт.
1964:Начинаются исследования в «зоопарке частиц»
Для ввода огромного объекта в эксплуатацию потребуется более четырех лет. 25 февраля 1964 года, незадолго до полуночи, время наконец пришло:горстка физиков столпилась в диспетчерской нового ускорителя частиц. Исследователи нажимают решающий переключатель – и вскоре после этого могут праздновать:первый поток электронов проносится около 8000 раз через круглую вакуумную трубку ускорителя. DESY скоро официально вступит в эксплуатацию. Электроны мчатся по трубке почти со скоростью света, а большие электромагниты удерживают их на орбите. Исследователи позволили электронам столкнуться лоб в лоб, когда они поглотили достаточно энергии. Столкновение создает недолговечные частицы, крошечные строительные блоки материи. Детекторы делают их видимыми для исследователей.
За DESY последуют и другие акселераторы
Ускоритель DESY, который до сих пор дает название всему исследовательскому центру, — это только начало. За десятилетия было построено больше ускорителей - их называют DORIS, PETRA или HERA, это самое длинное кольцо ускорителя на площадке длиной 3,6 километра. Сегодня разработка, строительство и эксплуатация ускорителей частиц является одним из трех основных направлений исследований DESY, наряду с физикой элементарных частиц и исследованиями фотонов.
Глюон – открыт в DESY
Физика элементарных частиц, занимающаяся вопросом внутренней структуры материи, является старейшей из трех областей исследований. Особого успеха в этой области исследователи достигли в 1979 году:в PETRA ученые впервые смогли обнаружить глюон — вероятно, самое известное открытие, сделанное в DESY на сегодняшний день. Глюон — частица-носитель так называемого сильного взаимодействия. Это одна из четырех фундаментальных сил природы, наряду с гравитацией, электромагнитной силой и так называемой слабой силой. Образно говоря, глюон — это своего рода клей, скрепляющий частицы материи.
Исследуйте наномир со вспышками света
Материалы можно подвергать рентгеновскому облучению синхротронным излучением. Например, закрашенная картина Ван Гога снова стала видимой.Третьим направлением деятельности DESY сегодня являются исследования фотонов, то есть легких частиц. Если электроны сильно ускорены, они излучают часть своей энергии в виде интенсивного луча света. Ученые могут использовать это так называемое синхротронное излучение, чтобы лучше понять наномир и, например, исследовать молекулярные структуры. Или также для «подсветки» самых разных материалов. Например, в 2008 году закрашенная картина Ван Гога снова стала видимой с помощью синхротронного излучения ускорителя DORIS – успех исследования, о котором также широко сообщалось в средствах массовой информации.
PETRA теперь также используется в качестве источника рентгеновского излучения. С 2009 года учёные используют PETRA III для генерации излучения в диапазоне жёстких очень коротковолновых рентгеновских лучей. Этот свет очень интенсивный, остро сфокусированный и мигает короткими импульсами. Исследователи могут использовать его для изучения очень маленьких образцов. Биологи используют его, например, для исследования атомной структуры белковых кристаллов.
ВСПЫШКА — ультракороткие вспышки света
На площадке DESY с 2005 года также работает линейный ускоритель с лазером на свободных электронах FLASH — первый в мире, генерирующий вспышки света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне вплоть до мягкого, то есть относительно длинноволнового рентгеновского излучения.
Вместо того, чтобы кружиться, частицы в 300-метровой, совершенно прямой установке доводятся почти до скорости света с помощью сверхпроводящего ускорителя и направляются через «ондуляторы» — структуры, состоящие из сотен пар магнитов, которые заставляют электроны двигаться по кругу. на трассе слалома. Частицы излучают ультракороткие и сильные вспышки света. Помимо прочего, их можно использовать для отслеживания чрезвычайно быстро протекающих процессов, например химических реакций.
Как измерительные станции в экспериментальном зале FLASH, так и в PETRA пользуются большим спросом – могут обслуживаться лишь небольшая часть мировых запросов от исследовательских институтов и компаний. Поэтому с 2020 года система будет расширена до новой системы FLASH2020.
Европейский XFEL:самый длинный рентгеновский лазер в мире
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах European XFEL, начавший научную эксплуатацию в 2017 году, основан на том же принципе, что и FLASH. Это самый молодой объект DESY и крупнейший в мире рентгеновский лазер.
С помощью рентгеновских вспышек исследователи могут расшифровывать атомные детали вирусов и клеток, снимать химические реакции и делать трехмерные изображения наномира, то есть мира клеток и молекул. Труба линейного ускорителя длиной 3,4 километра проходит под землей от площадки DESY до государственной границы со землей Шлезвиг-Гольштейн и заканчивается там в экспериментальном зале. Двенадцать стран участвуют в финансировании проекта стоимостью около 1,2 миллиарда евро, причем крупнейшими донорами являются Германия и Россия.
По следам частицы Хиггса
Но физика элементарных частиц продолжает иметь большое значение для DESY. Компания со штаб-квартирой в Гамбурге участвует в исследованиях Большого адронного коллайдера LHC, гигантского кольцевого ускорителя с окружностью 27 километров в исследовательском центре ЦЕРН в Женеве. Именно там в 2012 году исследователи обнаружили долгожданную частицу Хиггса. DESY также участвует в будущем проекте International Linear Collider ILC — линейном ускорителе, который, среди прочего, предназначен для более тщательного изучения частицы Хиггса. Однако окончательное решение о том, будет ли этот проект реализован, еще не принято.
Частицы-призраки в вечном льду
Около 5160 модулей были встроены в чистый лед на глубину до 2450 метров для обнаружения так называемых нейтрино.Еще один впечатляющий проект, в котором участвует DESY, называется Icecube:исследователи вставили более 5000 детекторов на глубину до 2450 метров в вечный лед Антарктиды. Они служат огромным телескопом для обнаружения так называемых нейтрино. Эти чрезвычайно легкие частицы обычно беспрепятственно пролетают сквозь всю материю, поэтому их еще называют частицами-призраками. Лишь очень редко они сталкиваются с частицами материи и их можно наблюдать таким образом. В Антарктике исследователи ищут нейтрино, которые приходят не из нашей Солнечной системы, а из черных дыр или взрывов сверхновых. Они могут пролить свет на эти мощные космические события. Дважды — в 2012 году и еще раз в 2013 году — исследователям удалось обнаружить эти высокоэнергетические нейтрино в глубинах космоса.
Исследовательский центр мирового значения
Благодаря своим трем направлениям исследований DESY в настоящее время является одним из важнейших в мире центров исследований структуры и функций материи. Около 3000 приглашенных ученых из примерно 40 стран исследуют микромир во всем его многообразии с помощью ускорителей. Помимо прочего, они проверяют поведение новых наноматериалов или наблюдают за ходом жизненно важных процессов между молекулами и, таким образом, дают важную информацию для разработки лекарств и новых технологий.
