DESY , сокращение от Deutsches Elektronen-Synchrotron ( немецкий электронный синхротрон ), 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 относится к его первому проекту — электронному синхротрону . DESY финансируется Федеративной Республикой Германия и федеральными землями Гамбург и Бранденбург и является членом Ассоциации Гельмгольца .
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 функцией материи. В сотрудничестве с организациями-партнерами 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, например, в Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах в Германии, Большом адронном коллайдере в Швейцарии, эксперименте Belle II в Японии, нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе и всемирной решетке черенковских телескопов . [3]
DESY работает в двух местах. Основное местонахождение — квартал Баренфельд в Гамбурге . В 1992 году DESY расширился до второго места в Цойтене недалеко от Берлина .
Площадка DESY Hamburg расположена в квартале Баренфельд , на западе города в районе Альтона . Здесь расположены ее основные ускорители.
После объединения Германии DESY расширился на вторую площадку в Цойтене недалеко от Берлина. В 1939 году Министерство почт Германии основало там лабораторию ядерной физики. После Второй мировой войны лаборатория сначала называлась «Институт X», а затем стала Институтом физики высоких энергий ( нем . Institut für Hochenergiephysik IfH ), лабораторией физики высоких энергий Германской Демократической Республики, принадлежащей Академии наук ГДР . Институт был объединен с DESY 1 января 1992 года. Он фокусируется на параллельных вычислениях для теоретической физики элементарных частиц, разработке и создании источников электронов для рентгеновских лазеров, а также на астрофизике частиц с упором на гамма-астрономию и нейтринную астрономию. [4]
В DESY работают около 3000 сотрудников из более чем 60 стран. Большинство сотрудников работают на площадке в Гамбурге, около 270 — в Цойтене. В это число входят более 130 стажеров по различным промышленно-техническим специальностям и около 500 аспирантов и постдоков, находящихся под руководством DESY. Кроме того, есть многочисленные магистранты из разных университетов. [5]
Исследовательский центр является фондом гражданского права, финансируемым за счет государственных средств. В 2020 году годовой бюджет DESY составлял около 232 миллионов евро (согласно федеральному бюджетному плану Германии, без учета расходов на инвестиции и специальных финансовых расходов). Кроме того, он имел доход от стороннего финансирования в размере около 18 миллионов евро. 90% годового бюджета предоставляется 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 все сразу, а скорее добавлялись один за другим, чтобы удовлетворить растущий спрос ученых на все более высокие энергии для более глубокого понимания структур частиц. В ходе строительства новых ускорителей старые были преобразованы в предускорители или в источники синхротронного излучения для лабораторий с новыми исследовательскими задачами.
Синхротрон DESY (сокращение от "Deutsches Elektronen-Synchrotron") находится в эксплуатации с 1964 года. Его окружность составляет 300 м. Он использовался до 1978 года для экспериментов по физике элементарных частиц и первых измерений с синхротронным излучением. С тех пор, перестроенный и модернизированный несколько раз, он служил в качестве предварительного ускорителя и в качестве испытательной установки, поставляющей пучки частиц высокой энергии для тестирования систем детекторов. [9]
Накопительное кольцо DORIS (сокращение от Double Ring Storage Facility) работало с 1974 по 2013 год. Его окружность составляла 289 м. До 1992 года оно сталкивало электроны с позитронами для экспериментов по физике элементарных частиц (включая эксперимент ARGUS ). С 1980 года синхротронное излучение, генерируемое DORIS, использовалось для экспериментов по фотонной науке; с 1993 по 2012 год накопительное кольцо служило исключительно источником синхротронного излучения . Затем в 2012 году проводился эксперимент по физике элементарных частиц OLYMPUS, прежде чем DORIS был закрыт в начале 2013 года.
Накопительное кольцо PETRA (сокращение от Positron–Electron Tandem Ring Accelerator) находится в эксплуатации 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 служил предускорителем для накопителя HERA , а с 1995 года также источником синхротронного излучения с двумя тестовыми экспериментальными станциями. С 2009 года установка поставляет жесткие рентгеновские лучи очень высокой яркости более чем 40 экспериментальным станциям под названием PETRA III . [10]
Накопительное кольцо HERA (сокращение от Hadron–Electron Ring Accelerator) работало с 1992 по 2007 год. Его окружность составляет 6336 м. Это был крупнейший кольцевой ускоритель DESY и крупнейший исследовательский инструмент Германии на сегодняшний день. До 2007 года HERA была единственной в мире установкой с накопительным кольцом, позволяющей проводить 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) находится в эксплуатации с 2000 года. Его длина составляет 315 м. Он основан на испытательной установке для сверхпроводящей ускорительной технологии, построенной в 1997 году для проекта TESLA , и служит пользовательской установкой для экспериментов с генерируемым излучением ЛСЭ с 2005 года. FLASH обеспечивает сверхкороткие световые импульсы в экстремальном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах для семи экспериментальных станций, а также используется в качестве испытательной установки для разработки ускорительных и ЛСЭ-технологий. [11]
DESY управляет 1,7-километровым сверхпроводящим линейным ускорителем европейского рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL, международного исследовательского центра, который вырабатывает сверхкороткие световые импульсы в диапазоне рентгеновских лучей высокой энергии. [12]
С 2001 года на площадке DESY в Цойтене располагается испытательный центр фотоинжектора PITZ — линейный ускоритель, используемый для изучения, оптимизации и подготовки источников электронов для FLASH и (с 2015 года) для европейского XFEL. [13]
В здании бывшего накопительного кольца DORIS теперь размещается ускорительный комплекс SINBAD («Короткие инновационные пучки и ускорители в DESY») [14] с различными инфраструктурами для исследований и разработок в области ускорителей: линейный ускоритель ARES для исследований ускорителей с ультракороткими электронными импульсами в медицинских целях, установка AXSIS для терагерцового ускорения с целью генерации ультракоротких рентгеновских импульсов для материаловедения или медицинской визуализации и мощный лазер KALDERA для исследований в области лазерного ускорения плазмы .
Установка LUX также используется для исследований в области лазерного плазменного ускорения, эксперимент FLASHForward на FLASH для плазменного ускорения с помощью электронного пучка. Источник релятивистского электронного пучка REGAE генерирует сверхкороткие электронные импульсы для экспериментов по дифракции с временным разрешением .
В туннеле бывшего накопительного кольца HERA теперь находится эксперимент ALPS II, который использует преобразованные сверхпроводящие дипольные магниты протонного кольца HERA для изучения чрезвычайно легких частиц. [15]
DESY предоставляет обширные возможности хранения и вычислений для исследований во всех своих подразделениях. Как часть Всемирной вычислительной сети LHC (WLCG), DESY также управляет вычислительным центром Tier-2, который предлагает вычислительные системы и системы хранения для экспериментов ATLAS , CMS и LHCb на Большом адронном коллайдере (LHC). Кроме того, инфраструктура сетки DESY используется другими экспериментами, такими как Belle II или IceCube . [16]
Исследования в DESY организованы в четырех подразделениях: ускорители, фотонная наука, физика элементарных частиц и астрофизика частиц.
Подразделение Accelerator разрабатывает фундаментальные технологии для ускорительных установок, которые DESY и его партнеры используют в своей научной миссии. Помимо эксплуатации и дальнейшего развития существующих установок (проекты PETRA IV и FLASH2020+, расширение Европейского XFEL), основные виды деятельности включают исследования новых концепций ускорителей, в частности, плазменное кильватерное ускорение , и совершенствование технологии сверхпроводящих радиочастотных ускорителей. [17] [18]
В отделении Photon Science фотоны используются для изучения структуры, динамики и функций материи. С этой целью отделение разрабатывает, строит и управляет пучковыми линиями и экспериментами на источниках света DESY PETRA III и FLASH . Каждый год более 3000 исследователей — большинство из них из университетов, но также из неуниверситетских исследовательских институтов и промышленности — из более чем 40 стран проводят эксперименты на источниках 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 , исследования материалов , а также изучения культурного наследия . [20]
Подразделение физики частиц участвует в крупномасштабных экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе недалеко от Женевы. В рамках международного сотрудничества, в рамках которого проводятся эксперименты ATLAS и CMS , DESY вносит вклад во многие разработки на БАК, 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 для возможных будущих электрон-позитронных линейных коллайдеров. Он также активно занимается теоретической физикой частиц. [21] [22]
Подразделение астрочастичной физики исследует высокоэнергетические процессы во Вселенной. Детекторы и телескопы используются для анализа нейтрино и гамма-лучей из космоса, которые могут предоставить информацию о космических явлениях: черных дырах , взрывающихся звездах и всплесках излучения экстремальной интенсивности. С этой целью DESY участвует в гамма-телескопах MAGIC , HESS и VERITAS , а также в космическом гамма-телескопе Fermi , и вносит свой вклад в планируемый Cherenkov Telescope Array (CTA). Это второй по величине партнер в обсерватории IceCube на Южном полюсе. [23] [24]
DESY был основан 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 и в областях физики элементарных частиц и астрофизики, а также посредством связанных с этим исследований и разработок». [26]
С 1959 по 2007 год ускорители DESY в основном использовались для физики элементарных частиц , изначально с одноименным электронным синхротроном DESY (1964–настоящее время), затем DORIS (Double Ring Storage Facility, 1974–1992), PETRA (Positron–Electron Tandem Ring Facility, 1978–настоящее время) и HERA (Hadron–Electron Ring Accelerator, 1992–2007). В 1987 году эксперимент ARGUS на DORIS стал первым, в котором наблюдалось большое смешивание B-мезонов и, таким образом, процесс, в котором материя и антиматерия 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 предускорителем для еще большего накопительного кольца HERA с его четырьмя экспериментами H1 , ZEUS , HERMES и HERA-B . HERA была единственной в мире установкой с накопительным кольцом, 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 многочисленных других экспериментов по физике элементарных частиц, особенно на Большом адронном коллайдере (БАК) в исследовательском центре ЦЕРН , а также для многочисленных разработок в области теоретической физики элементарных частиц. [25] [28]
Параллельно, еще в 1960-х годах, исследовательские группы из DESY, различных университетов и Общества Макса Планка разработали технологию использования синхротронного излучения, производимого ускорителями. [29] Чтобы удовлетворить быстро растущий национальный и европейский спрос, DESY основал собственную крупную 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 года) проводила эксперименты с 1986 по 2004 год, которые привели к расшифровке рибосомы . [ 25] [31] С 1995 года в PETRA проводились эксперименты как по синхротронному излучению, так и по физике элементарных частиц. В 2009 году установка PETRA была модернизирована для исключительного использования в качестве источника синхротронного излучения для жесткого рентгеновского излучения (PETRA III). [25] Сегодня PETRA III обслуживает более 40 экспериментальных станций, и есть планы расширить ее до PETRA IV 3D рентгеновского микроскопа. [32] [33] С закрытием DORIS в начале 2013 года название HASYLAB было отменено, и с тех пор использование источников света DESY осуществляется в его подразделении Photon Science.
В начале 1990-х годов DESY начал разрабатывать новую технологию: технологию радиочастотного ускорителя на основе сверхпроводящих полостей из ниобия , которые охлаждаются примерно до 2 К (−271 °C) жидким гелием . Первым ускорителем на этой основе была испытательная установка для сверхпроводящих линейных ускорителей в DESY для проверки принципа самоусиливающегося спонтанного излучения (SASE) рентгеновского лазерного света. [34] Теория SASE разрабатывалась и совершенствовалась в DESY и в институтах в России, Италии и США с 1980 года. [35] В 2000–2001 годах испытательная установка в DESY была первым в мире лазером на свободных электронах , который производил световые вспышки в вакуумном ультрафиолете и мягком рентгеновском диапазоне. [36] Сегодня установка FLASH производит сверхкороткие световые импульсы в мягком рентгеновском диапазоне для семи экспериментальных станций. [37] С 2020 года он был расширен 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 центра является сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. С энергией электронов 17,5 ГэВ это самый мощный сверхпроводящий линейный ускоритель в мире на сегодняшний день. DESY управляет ускорителем от имени European XFEL GmbH. [39] [40]
С 2010 года DESY разрабатывает плазменную ускорительную технологию (как лазерную, так и электронно-лучевую) в качестве возможной альтернативы традиционным ускорительным технологиям с целью создания компактных ускорителей для фотонной науки, физики элементарных частиц, а также медицинских и промышленных применений. [41]
DESY возглавляется Директоратом, состоящим из директоров четырех подразделений (Ускорители, Фотонная наука, Физика элементарных частиц и Астрофизика элементарных частиц) и администрации, а также делегата Директората по инновациям. Председателями Директората до сих пор были: [25]
В кампусе DESY в Гамбурге находятся несколько национальных и международных центров, в которых участвует DESY. Это: [43]
DESY стремится продвигать стартапы и внедрять ноу-хау из фундаментальных исследований в приложения. Он предлагает коммерческим компаниям поддержку в промышленных вопросах, например, посредством специального доступа промышленности к источникам фотонов и лабораториям, разрабатывает идеи, приложения и продукты на основе фундаментальных исследований и поддерживает своих сотрудников в создании стартапов на основе технологий DESY в регионах Гамбург и Бранденбург. DESY предлагает стартапам доступ к офисам, лабораториям и мастерским в DESY Innovation Village и Start-up Labs Bahrenfeld, созданных совместно с Гамбургским университетом и Вольным и Ганзейским городом Гамбург .
