50 Jahre Experimente mit Beschleunigern in Mainz: Weltweit beachtete Spitzenforschung

Helmut Herminghaus und Karl-Heinz Kaiser erhalten Ehrenmedaille der JGU für ihre Verdienste um den Aufbau des Mainzer Mikrotrons (MAMI)

16.02.2018

50 Jahre Experimentierbetrieb mit Elektronenbeschleunigern am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU): Das Mainzer Mikrotron (MAMI) ist weltweit eine der größten und leistungsstärksten universitären Experimentiereinrichtungen, die der physikalischen Grundlagenforschung dienen. Von einem Team unter Führung von Prof. Dr. Helmut Herminghaus aufgebaut und unter dessen Nachfolger Dr. Karl-Heinz Kaiser in einer weiteren Ausbaustufe, dem weltweit einzigen doppelseitigen Miktrotron weiterentwickelt, ermöglicht der heute MAMI C genannte Beschleuniger nach wie vor Experimente auf höchstem internationalem Niveau – so unter anderem für den Sonderforschungsbereich SFB 1044 "Die Niederenergie-Grenze des Standardmodells. Von Quarks und Gluonen zu Hadronen und Kernen", aber auch für Experimente der Elementarteilchenphysik im Rahmen des Exzellenzclusters PRISMA. Das Jubiläum begeht das Institut für Kernphysik mit einem Symposium "Beschleunigergestützte Experimente an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – gestern, heute und morgen" am 15. und 16. Februar. In diesem Rahmen erhielten Prof. Dr. Helmut Herminghaus und Dr. Karl-Heinz Kaiser die Ehrenmedaille der JGU.

An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wird bereits seit Ende der 70er-Jahre eine Beschleunigeranlage zur Erzeugung eines kontinuierlichen Elektronenstrahls betrieben, realisiert als Kaskade von sogenannten Rennbahn-Mikrotronen. Die Einweihung von MAMI B mit einer Energie von 850 Megaelektronenvolt (MeV) im Jahr 1991 markierte einen Durchbruch für die Experimente mit  Elektronenstreuung in der Hadronenphysik: Die Mainzer Wissenschaftler konnten in völlig neue Bereiche hinsichtlich Zeitstruktur, Strahlqualität und Parameterstabilität vorstoßen. Im Jahre 2006 wurde die Energie der Kaskade durch das weltweit einzige "Harmonische Doppelseitige Mikrotron" (HDSM) nochmals fast verdoppelt. So beschleunigt die jetzt MAMI C genannte Anlage die Elektronen heute auf eine Bewegungsenergie, die der Anwendung einer Gleichspannung von 1.600 Millionen Volt entspricht. Seit 1991 ist die Anlage mit rund 160.000 Betriebsstunden im Durchschnitt mehr als 110 Stunden pro Woche im Dienste der Grundlagenforschung in Betrieb.

Ehrenmedaille der JGU für Prof. Dr. Helmut Herminghaus und Dr. Karl-Heinz Kaiser

Die Grundlagen für diese Erfolgsgeschichte hat Professor Helmut Herminghaus gelegt, der das Projekt Anfang der Siebzigerjahre initiierte und 1991 zu einem Höhepunkt führte, als mit MAMI B der damals leistungsstärkste Elektronenbeschleuniger seiner Art in Betrieb ging. Für seine Verdienste um den Aufbau des Mainzer Miktrotrons wurde der Physiker mit der Ehrenmedaille der JGU geehrt: "Professor Herminghaus hat diesen Weg mit viel Pioniergeist und außerordentlichem Einsatz beschritten", so der Präsident der JGU, Prof. Dr. Georg Krausch, im Rahmen des Jubiläumssymposiums. "Die Beschleunigeranlage dokumentiert eindrucksvoll das Können und die Kreativität von Helmut Herminghaus." Dr. Karl-Heinz Kaiser, Betriebsleiter des Mainzer Mikrotrons von 1991 bis 2005 erhielt die Ehrenmedaille für seine Verdienste um die Weiterentwicklung des Beschleunigers: "Karl-Heinz Kaiser hat wesentlich dazu beigetragen, dass die Physik der JGU auch im 21. Jahrhundert weltweit beachtete Spitzenforschung in der Astroteilchen-, Teilchen-, Hadronen- und Kernphysik betreiben kann", erklärte der Präsident. Weiterer Höhepunkt beim Jubiläumssymposium: Der ehemalige Generaldirektor des CERN und Anfang der sechziger Jahre erste Direktor des Mainzer Instituts für Kernphysik, Prof. Dr. Herwig Schopper, berichtete in seinem Vortrag  über "Die Gründung des Instituts für Kernphysik".

Highlights der Forschung mit MAMI

"In der Rückschau können wir somit resümieren, dass die Vision der Erbauer der Mikrotron-Kaskade Wirklichkeit geworden ist", erklärt der geschäftsführende Direktor des Instituts für Kernphysik, Prof. Dr. Achim Denig. "Der Beschleuniger, der sich über zwei turnhallengroße unterirdische Hallen erstreckt, ist einer der zuverlässigsten und effizientesten weltweit. Auch zum heutigen Zeitpunkt werden noch immer neue Anwendungsgebiete für die Mikrotrone erschlossen, beispielsweise in der Produktion der für technische und medizinische Entwicklungen wichtigen Nanodiamanten."

Zu den Highlights der Forschung mit MAMI gehören zahlreiche Experimente der Hadronenphysik, so beispielsweise die weltbesten Messungen zur Form und Ausdehnung von subatomaren Teilchen wie dem Proton sowie zu dessen angeregten Resonanzzuständen. In Hochpräzisionsexperimenten konnte weiterhin der Beitrag von seltsamen Quarks in Nukleonen und Kernen untersucht werden. Kürzlich wurden bei MAMI auch weltweit vielbeachtete Suchen nach hypothetischen Teilchen jenseits des Standardmodells, sogenannten "Dunklen Photonen", durchgeführt, die eine Reihe von offenen Fragen der subatomaren Welt erklären könnten.

Exzellenzcluster PRISMA entwickelt neuartigen Beschleuniger MESA

Auch heute werden Elektronenbeschleuniger am Institut für Kernphysik neu entwickelt. Moderne Technologien erlauben es, neuartige Experimente zu entwerfen, die auf Elektronenstrahlen mit kleinerer Energie als bei MAMI, aber extrem hoher Stromstärke des Elektronenstrahls beruhen. Für solche Experimente wird aktuell der Beschleuniger MESA – Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator – entwickelt und aufgebaut, der im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder durch den JGU-Exzellenzcluster PRISMA gefördert wird.