DESY , сокращение от Deutsches Elektronen-Synchrotron (англ. German Electron Synchrotron ), является национальным исследовательским центром фундаментальной науки , расположенным в Гамбурге и Цойтене недалеко от Берлина в Германии . Он управляет ускорителями частиц, используемыми для исследования структуры, динамики и функций материи , и проводит широкий спектр междисциплинарных научных исследований в четырех основных областях: физика частиц и высоких энергий ; фотонная наука; астрофизика частиц ; и разработка, строительство и эксплуатация ускорителей частиц. Его название отсылает к его первому проекту — электронному синхротрону . DESY финансируется государством Федеративной Республикой Германия и федеральными землями Гамбург и Бранденбург и является членом Ассоциации Гельмгольца .
Функция DESY — проводить фундаментальные исследования исключительно в гражданских и мирных целях. Он специализируется на разработке, строительстве и эксплуатации ускорителей частиц , физике элементарных частиц , астрофизике частиц и исследованиях фотонной науки с целью изучения фундаментальных взаимосвязей между структурой, динамикой и функциями материи. В сотрудничестве со своими партнерскими организациями его исследования в области фотонной науки охватывают физику поверхности, материаловедение , химию , молекулярную биологию , геофизику и медицину посредством использования синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах . [1] [2]
Помимо эксплуатации собственных крупных ускорительных установок, DESY участвует во многих крупных международных исследовательских проектах, таких как Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах в Германии, Большой адронный коллайдер в Швейцарии, эксперимент Belle II в Японии, нейтринный эксперимент IceCube. Обсерватория на Южном полюсе и Всемирная черенковская телескопическая решетка . [3]
DESY работает в двух местах. Основное местоположение находится в квартале Бахренфельд в Гамбурге . В 1992 году DESY расширилась и открыла второй завод в Цойтене недалеко от Берлина .
Площадка DESY Hamburg расположена в квартале Бахренфельд , на западе города, в районе Альтона . Здесь расположены его основные ускорители.
После воссоединения Германии компания DESY открыла второй офис в Цойтене недалеко от Берлина. В 1939 году Министерство почты Германии основало здесь лабораторию ядерной физики. После Второй мировой войны лаборатория сначала была названа «Институт X», чтобы стать Институтом физики высоких энергий ( нем . Institut für Hochenergiephysik IfH ), лабораторией физики высоких энергий Германской Демократической Республики, принадлежащей Академии наук Германии. ГДР . Институт был объединен с DESY 1 января 1992 года. Он занимается параллельными вычислениями для теоретической физики элементарных частиц, разработкой и созданием источников электронов для рентгеновских лазеров, а также астрофизики частиц с упором на гамма-лучи и нейтринную астрономию. [4]
В DESY работают около 3000 сотрудников из более чем 60 стран. Большая часть персонала работает на площадке в Гамбурге, около 270 человек — на площадке в Цойтене. В их число входят более 130 стажеров различных промышленно-технических специальностей и около 500 аспирантов и постдоков, находящихся под руководством DESY. Кроме того, здесь обучается множество магистрантов из различных университетов. [5]
Исследовательский центр является гражданско-правовым фондом, финансируемым за счет государственных средств. В 2020 году годовой бюджет DESY составлял около 232 миллионов евро (согласно плану федерального бюджета Германии, без учета расходов на инвестиции и специальных расходов на финансирование). Кроме того, доход от стороннего финансирования составил около 18 миллионов евро. 90% годового бюджета обеспечивается Федеральным министерством образования и исследований Германии ( нем . Bundesministerium für Bildung und Forschung ) [6] и 10% соответственно Вольным и Ганзейским городом Гамбургом [7] и немецкой федеральной землей Бранденбург . [8]
Ускорители DESY не были построены сразу, а добавлялись один за другим, чтобы удовлетворить растущий спрос ученых на все более высокие энергии, чтобы лучше понять структуру частиц. В ходе строительства новых ускорителей старые переоборудовались в предускорители или в источники синхротронного излучения для лабораторий с новыми исследовательскими задачами.
Синхротрон DESY (сокращение от «Deutsches Elektronen-Synchrotron») работает с 1964 года. Его окружность составляет 300 м. Он использовался до 1978 года для экспериментов по физике элементарных частиц и первых измерений синхротронного излучения. С тех пор он несколько раз перестраивался и модернизировался и служил предварительным ускорителем и установкой для испытательных лучей, доставляющих пучки частиц высокой энергии для тестирования детекторных систем. [9]
Накопительное кольцо ДОРИС (сокращение от Double Ring Storage Facility) эксплуатировалось с 1974 по 2013 год. Его окружность составляла 289 метров. До 1992 года он сталкивал электроны с позитронами в экспериментах по физике элементарных частиц (включая эксперимент ARGUS ). С 1980 года синхротронное излучение, генерируемое DORIS, использовалось для научных экспериментов с фотонами; с 1993 по 2012 год накопитель служил исключительно источником синхротронного излучения . Эксперимент по физике элементарных частиц OLYMPUS затем проводился в 2012 году, прежде чем DORIS был закрыт в начале 2013 года.
Накопитель PETRA (сокращение от Positron-Electron Tandem Ring Accelerator) работает с 1978 года. Его окружность составляет 2304 м. До 1986 года электроны и позитроны сталкивались в PETRA для исследований в области физики элементарных частиц (эксперименты JADE , MARK-J, TASSO и PLUTO ). С 1990 года PETRA служила предускорителем накопителя HERA , а с 1995 года — также источником синхротронного излучения с двумя испытательными экспериментальными станциями. С 2009 года установка под названием PETRA III поставляет жесткие рентгеновские лучи очень высокой яркости на более чем 40 экспериментальных станций . [10]
Накопительное кольцо HERA (сокращение от Hadron-Electron Ring Accelerator) работало с 1992 по 2007 год. Его окружность составляет 6336 метров. На сегодняшний день это был крупнейший кольцевой ускоритель DESY и крупнейший исследовательский инструмент Германии. До 2007 года HERA была единственной в мире накопительной установкой, позволяющей осуществлять столкновения электронов или позитронов с протонами для физики элементарных частиц (эксперименты H1 , ZEUS , HERMES и HERA-B ) для изучения внутренней структуры протона.
Лазер на свободных электронах (ЛСЭ) FLASH (сокращение от Free-Electron Laser в Гамбурге) работает с 2000 года. Его длина составляет 315 м. Он основан на испытательной установке сверхпроводниковой ускорительной технологии, построенной в 1997 году для проекта TESLA , и с 2005 года служит пользовательской установкой для экспериментов с генерируемым излучением ЛСЭ. FLASH обеспечивает ультракороткие световые импульсы в крайнем ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах . для семи экспериментальных станций, а также используется как испытательный стенд для отработки ускорительных и ЛСЭ-технологий. [11]
DESY управляет сверхпроводящим линейным ускорителем длиной 1,7 км европейского рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL, международного исследовательского центра, который выдает ультракороткие световые импульсы в рентгеновском диапазоне высоких энергий. [12]
С 2001 года на площадке DESY в Цойтене находится испытательная установка для фотоинжекторов PITZ, линейный ускоритель, используемый для изучения, оптимизации и подготовки источников электронов для FLASH и (с 2015 года) для европейского XFEL. [13]
В здании бывшего накопителя DORIS сейчас находится ускорительный комплекс SINBAD («Короткие инновационные пучки и ускорители в DESY») [14] с различной инфраструктурой для НИОКР по ускорителям: линейный ускоритель ARES для ускорительных исследований с ультракороткими электронными импульсами медицинского назначения, установка AXSIS для терагерцового ускорения для генерации ультракоротких рентгеновских импульсов для материаловедения или медицинской визуализации, а также мощный лазер KALDERA для исследований в области лазерного ускорения плазмы .
Установка LUX также используется для исследований в области ускорения лазерной плазмы, эксперимента FLASHForward в FLASH по ускорению плазмы электронным лучом. Релятивистский источник электронного пучка REGAE генерирует ультракороткие электронные импульсы для дифракционных экспериментов с временным разрешением.
В туннеле бывшего накопителя HERA теперь находится эксперимент ALPS II, в котором для изучения чрезвычайно легких частиц используются преобразованные сверхпроводящие дипольные магниты протонного кольца HERA. [15]
DESY предоставляет обширные хранилища и вычислительные мощности для исследований во всех своих подразделениях. В рамках Всемирной вычислительной сети LHC (WLCG) DESY также управляет компьютерным центром уровня 2, который предлагает системы вычислений и хранения данных для экспериментов ATLAS , CMS и LHCb на Большом адронном коллайдере (LHC). Кроме того, грид-инфраструктура DESY используется и в других экспериментах, таких как Belle II или IceCube . [16]
Исследования в DESY разделены на четыре отдела: ускорители, фотонная наука, физика элементарных частиц и физика астрочастиц.
Подразделение ускорителей разрабатывает фундаментальные технологии для ускорительных установок, которые DESY и ее партнеры используют в своей научной миссии. Помимо эксплуатации и дальнейшего развития существующих объектов (проекты PETRA IV и FLASH2020+, расширение европейского XFEL), важная деятельность включает исследование новых концепций ускорителей, в частности плазменного ускорения в кильватерном поле , а также совершенствование технологии сверхпроводящих радиочастотных ускорителей. [17] [18]
В отделе фотонной науки фотоны используются для изучения структуры, динамики и функций материи. С этой целью подразделение разрабатывает, производит и эксплуатирует лучи и экспериментирует с источниками света DESY PETRA III и FLASH . Ежегодно более 3000 исследователей – большинство из них из университетов, а также из неуниверситетских исследовательских институтов и промышленности – из более чем 40 стран проводят эксперименты с источниками света и в лабораториях DESY. [19] Спектр исследований варьируется от фундаментальных исследований до прикладных исследований и промышленного сотрудничества в области физики , химии , биологии , медицины , наук о жизни , наук о Земле , исследований материалов , а также изучения культурного наследия . [20]
Подразделение физики элементарных частиц участвует в крупномасштабных экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН недалеко от Женевы. В рамках международного сотрудничества по проведению экспериментов ATLAS и CMS DESY вносит свой вклад во многие разработки на БАКе, от проектирования оборудования и анализа данных до подготовки к запланированным обновлениям. DESY также участвует в эксперименте Belle II на электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB в исследовательском центре KEK в Цукубе , Япония, а также в разработках возможных будущих линейных электрон-позитронных коллайдеров. Он также активно занимается теоретической физикой элементарных частиц. [21] [22]
Отдел физики астрочастиц исследует высокоэнергетические процессы во Вселенной. Детекторы и телескопы используются для анализа нейтрино и гамма-лучей из космоса, что может предоставить информацию о космических явлениях: черных дырах , взрывающихся звездах и радиационных всплесках чрезвычайной интенсивности. С этой целью DESY участвует в работе гамма-телескопов MAGIC , HESS и VERITAS , а также космического гамма-телескопа Ферми , а также вносит свой вклад в запланированную черенковскую телескопическую решетку (CTA). Это второй по величине партнер обсерватории IceCube на Южном полюсе. [23] [24]
Компания DESY была основана 18 декабря 1959 года в Гамбурге. [25] Согласно уставу, миссия DESY заключается в «содействии фундаментальным научным исследованиям [...], в частности, посредством разработки, строительства и эксплуатации ускорителей и их научного использования в фотонной науке, а также в области элементарных частиц и астрочастиц». физики, а также посредством связанных с ней научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ». [26]
С 1959 по 2007 год ускорители DESY в основном использовались для физики элементарных частиц , сначала с одноименным электронным синхротроном DESY (с 1964 по настоящее время), а затем DORIS (хранилище с двойным кольцом, 1974–1992), PETRA (установка с тандемным кольцом позитрон-электронов). , 1978 – настоящее время) и HERA (Адроно-электронный кольцевой ускоритель, 1992–2007). В 1987 году эксперимент ARGUS в DORIS был первым, кто наблюдал большое смешивание B-мезонов и, следовательно, процесс, в котором вещество и антивещество ведут себя по-разному. [25] [27] Самым важным открытием экспериментов TASSO , JADE , MARK-J и PLUTO в PETRA было обнаружение глюона , частицы-переносчика сильного взаимодействия , в 1979 году. [25] С 1990 года PETRA служила в качестве предварительного ускорителя для еще большего накопителя HERA с его четырьмя экспериментами H1 , ZEUS , HERMES и HERA-B . HERA была единственной в мире накопительной установкой, в которой протоны сталкивались с электронами или позитронами . В этих столкновениях точечный электрон действовал как зонд, сканируя внутреннюю структуру протона и делая ее видимой с высоким разрешением. Точные знания HERA о внутренней части протона легли в основу многих других экспериментов по физике элементарных частиц, особенно на Большом адронном коллайдере (LHC) в исследовательском центре CERN , а также для многочисленных разработок в теоретической физике элементарных частиц. [25] [28]
Параллельно еще в 1960-х годах исследовательские группы DESY, различных университетов и Общества Макса Планка разработали технологию использования синхротронного излучения , создаваемого ускорителями. [29] Чтобы удовлетворить быстро растущий национальный и европейский спрос, DESY основала собственную большую лабораторию: Гамбургскую лабораторию синхротронного излучения HASYLAB, которая открылась в 1980 году. [30] Она предоставила измерительные станции в DORIS, и именно здесь израильский биохимик Ада Йонат (Нобелевская премия по химии 2009 г.) с 1986 по 2004 г. проводила эксперименты, которые привели к расшифровке рибосомы . [25] [31] С 1995 года в PETRA проводились эксперименты по синхротронному излучению и физике элементарных частиц. В 2009 году установка PETRA была модернизирована для использования исключительно в качестве источника синхротронного излучения жесткого рентгеновского излучения (PETRA III). [25] Сегодня PETRA III обслуживает более 40 экспериментальных станций, и есть планы расширить его до 3D-рентгеновского микроскопа PETRA IV. [32] [33] После закрытия DORIS в начале 2013 года от названия HASYLAB отказались, и с тех пор использование источников света DESY осуществляется в его подразделении Photon Science.
В начале 1990-х годов компания DESY приступила к разработке новой технологии: технологии радиочастотных ускорителей на основе сверхпроводящих резонаторов из ниобия , которые охлаждаются примерно до 2 К (-271 °C) жидким гелием . Первым ускорителем на этой основе была испытательная установка сверхпроводящих линейных ускорителей в DESY для проверки принципа самоусиливающегося спонтанного излучения (SASE) рентгеновского лазерного света. [34] Теория SASE разрабатывалась и уточнялась в DESY и институтах России, Италии и США с 1980 года. [35] В 2000–2001 годах испытательный стенд DESY был первым в мире лазером на свободных электронах , производившим световые вспышки в вакуумном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. [36] Сегодня установка FLASH производит ультракороткие световые импульсы в мягком рентгеновском диапазоне для семи экспериментальных станций. [37] С 2020 года оно было расширено для дальнейшей оптимизации свойств излучения (проект FLASH2020+). [38]
С 2009 по 2016 год международный консорциум во главе с DESY разработал европейский рентгеновский лазер на свободных электронах European XFEL . Международный исследовательский центр, в котором участвуют 12 европейских стран-акционеров, управляется некоммерческой компанией European XFEL GmbH . Ядром установки является сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. Имея энергию электронов 17,5 ГэВ, это на сегодняшний день самый мощный сверхпроводящий линейный ускоритель в мире. DESY управляет ускорителем от имени European XFEL GmbH. [39] [40]
С 2010 года DESY разрабатывает технологию плазменных ускорителей (как лазерных, так и электронных) в качестве возможной альтернативы традиционным ускорительным технологиям с целью создания компактных ускорителей для фотонной науки, физики элементарных частиц, а также медицины и медицины. промышленное применение. [41]
DESY возглавляет Управление, состоящее из директоров четырех отделов (Ускорителей, Фотонной науки, Физики элементарных частиц и Физики астрочастиц) и администрации, а также представителя Директората по инновациям. Председателями Дирекции на данный момент были: [25]
Кампус DESY в Гамбурге является местом расположения нескольких национальных и международных центров, в которых участвует DESY. Это: [43]
Целью DESY является продвижение стартапов и внедрение ноу-хау фундаментальных исследований в применение. Он предлагает коммерческим компаниям поддержку в решении промышленных вопросов, например, посредством специального доступа промышленности к источникам фотонов и лабораториям, разрабатывает идеи, приложения и продукты на основе фундаментальных исследований, а также поддерживает своих сотрудников в создании стартапов на основе технологий DESY в регионах Гамбурга и Бранденбурга. . DESY предлагает стартапам доступ к офисам, лабораториям и мастерским в Инновационной деревне DESY и Стартап-лабораториях Бахренфельда, созданных совместно с Гамбургским университетом и Вольным и ганзейским городом Гамбург .
