Präzisionsphysik in

JülichPrecision Physics

Institut für Kernphysik

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Inhalt

Willkommen im Institut für Kernphysik 3Das Standardmodell 4COSY bestätigt die Existenz eines 6-Quark-Zustandes 6Kühlersynchrotron COSY 8Der HESR für FAIR - dreimal größer als COSY 10PANDA - Experiment 12PANDA - Physik 14Woher kommt der Spin des Protons? 16Auf der Suche nach der verschwundenen Antimaterie 18Überprüfung der Zeitumkehrinvarianz an COSY (TRIC-Experiment) 22Polarisierte Kernfusion 24Kurzpuls-Strahlungsquelle JuSPARC 26Numerische Simulation der Atomkerne mit effektiver Feldtheorie 28Karrierewege im IKP 30Glossar 31

Contents

Welcome to the Institut für Kernphysik 3The Standard model 4COSY proves existence of Six-Quark States 6Cooler Synchrotron COSY 8HESR for FAIR - three times bigger than COSY 10PANDA - Experiment 12PANDA - Physics 14What is the origin of the Proton Spin? 16Looking for the missing anti-matter 18Test of Time Reversal Invariance at COSY (TRIC experiment) 22Polarized Fusion 24Short-pulse Radiation Center JuSPARC 26Simulating Nuclei with Lattice Effective Field Theory 28A career at IKP 30Glossary 31

IMPRESSUM

Präzisionsphysik @ COSY Broschüre des Instituts für Kernphysik

Herausgeber: Forschungszentrum Jülich GmbH | 52425 Jülich

Redaktion: Dr. Alexander Nass (Institut für Kernphysik)

Autoren: Prof. Dr. M. Büscher, Dr. R. W. Engels, Prof. Dr. C. Hanhart, Prof. Dr. A.Lehrach,Prof. Dr. T. Luu, Dr. A. Nass, Prof. Dr. J. Pretz, Prof. Dr. H. Ströher, Dr. R. Tölle, Dr. Y. Valdau

Grafik und Layout: Dr. Alexander Nass (Institut für Kernphysik)

Bildnachweis: Forschungszentrum Jülich GmbH

Kontakt: Institut für Kernphysik | Tel.: 02461 61 4408 | Fax: 02461 61 9450 |

E-Mail: ikp-e-2-secretary@fz-juelich.de

Druck: ??????????? GmbH Auflage: 3.000 | Oktober 2014

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Willkommen im Institut für KernphysikDas Institut für Kernphysik (IKP) des Forschungszentrums Jülich (FZJ) wurde am1. Januar 1968 gegründet und mit einem sog. Zyklotron-Beschleuniger (JULIC, heu-te Vorbeschleuniger) ausgestattet, das viele Jahre zur Untersuchung der Strukturder Atomkerne genutzt wurde. Am 1. April 1993 wurde COSY (Cooler Synchro-tron) eingeweiht. Seit dieser Zeit werden am IKP Experimente zur Struktur undDynamik von Hadronen mit Protonen- und Deuteronenstrahlen, die „gekühlt“ und„polarisiert“ sein können, durchgeführt. Für die Messungen stehen eine Reihe vonTargetinstallationen und Detektorsystemen zur Verfügung. Nach deren Abschlußwird sich das IKP zukünftig auf folgende Projekte konzentrieren:

• Bau und Inbetriebnahme des Hochenergiespeicherrings (HESR) von FAIRbei dem „GSI Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung“ in Darmstadt;

• Beteiligung am Aufbau und der wissenschaftlichen Nutzung des PANDA-Detektors im HESR;

• Beteiligung an einem Projekt zum Aufbau einer Kurzpuls-Strahlungquelle(JuSPARC); sowie insbesondere

• Nutzung von COSY als Entwicklungs- und Testmaschine für ein neues Pro-jekt zur Suche nach elektrischen Dipolmomenten geladener Teilchen inSpeicherringen (JEDI).

Das IKP mit seinen vier Teilinstituten und ca. 120 Mitarbeitern sieht sich mit die-ser Strategie - gemeinsam mit seinen nationalen und internationalen Kooperati-onspartnern - für die aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen und die damiteinhergehenden technologischen Herausforderungen bestens gerüstet. Wir freuenuns über Ihr Interesse an unserem Institut und möchten Ihnen auf den nachfolgen-den Seiten unsere Forschungsarbeiten vorstellen. Für Rückfragen und Kommenta-re stehen wir gerne zur Verfügung.

Welcome to the Institut für KernphysikThe Institute for Nuclear Physics (IKP) of the Forschungszentrum Jülich (FZJ) wasfounded on January 1st 1968 and equipped with a so-called cyclotron accelerator(JULIC, today pre-accelerator) which was used for the investigation of nuclei formany years. On April 1st 1993 COSY (Cooler Synchrotron) was inaugurated. Sincethen experiments are carried out at IKP in order to investigate the structure anddynamics of hadrons using beams of protons and deuterons which can be “cooled”and “polarized”. A variety of target installations and detector systems are availablefor the measurements. After completion the future key projects of the IKP will be:

• Construction and implementation of the high energy storage ring (HESR)at FAIR (“GSI Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung”/ Darmstadt);

• Involvement in the construction and scientific use of the PANDA detectorin HESR;

• Involvement in a project to set-up a short pulse radiation center (JUSPARC);and in particular

• Utilization of COSY as a development and test machine for a new projectto search for electric dipole moments of charged particles in storage rongs(JEDI).

With this strategy, IKP with its 4 sections and about 120 employees - togetherwith its national and international partners - is ready to tackle the latest scientificproblems and the involved technological challenges. We are pleased about your in-terest in our institute and would like to present our scientific work on the followingpages. Your questions and comments are welcome.

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Das Standardmodell

Das Standard-Modell (SM) der Elementarteilchen beschreibt sowohl die Bausteineder Materie als auch die Kräfte, die zwischen ihnen wirken:

• Die elektromagnetische Kraft (Quantenelektrodynamik (QED)): zuständigfür nahezu alle Phänomene im Alltag. Die Kraft wird durch das masselosePhoton (das Quantenteilchen des Lichtes) vermittelt.

• Die schwache Kraft: zuständig (mit der QED in Weinberg-Salam Modell ver-eint) für z.B. einige Phänomene der Radioaktivität wie dem Beta-Zerfall desNeutrons. Die Kraft wird durch die massiven W- und Z-Teilchen vermittelt.

• Die starke Kraft (Quantenchromodynamik (QCD)): sie hält nicht nur dieKernbausteine (Nukleonen=Protonen und Neutronen) zusammen, sondernauch deren Bausteine (die Quarks) in den Nukleonen. Die Kraft wird durchdie Gluonen (Glue=englisches Wort für Klebstoff) oder — über längere Ent-fernungen — durch Quark-Antiquark Paare vermittelt.

Die vierte fundamentale Kraft - die Graviation - ist so schwach gegenüber denhier diskutierten Kräften, dass sie vernachlässigt werden kann. Desweiteren istfür diese Kraft noch keine konsistente Quantentheorie verfügbar.Die Bausteine der Materie sind die Leptonen (das Elektron und das Elektron-Neutrino sowie deren schwerere Geschwister, das Muon und das Tau und ihrezugehörigen Neutrinos) und die Quarks (up und down; strange und charm; bottomund top). Das SM sortiert alle diese Teilchen in drei Familien oder Generationen(z.B. das Elektron, das Elektron-Neutrino und up- und down-Quark bilden die er-ste Generation) mit ähnlichen Eigenschaften — nur die Masse der Teilchen wächstdeutlich von Generation zu Generation. Die Welt um uns herum besteht lediglichaus den Mitgliedern der ersten Generation - die anderen Teilchen sind teilweise inkosmischen Strahlen zu finden oder werden in Beschleunigeranlagen erzeugt.Das SM ist extrem erfolgreich — es ist die beste getestete Theorie, die je von Men-schen erdacht wurde: z.B. stimmen Experiment und Theorie für das magnetischeDipolmoment des Elektrons auf 11 Dezimalstellen überein. Allerdings gibt es noch

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einige unbeantwortete Fragen: Warum kann man keine isolierten Quarks finden(Confinement)? Welche Kombinationen aus Quarks sind zur Bildung der zusam-mengesetzten Zustände erlaubt? Woher kommt der Spin (der intene Drehimpuls)des Nukleons? Warum gibt es genau drei Generationen von Quarks und Leptonen?Eine weitere Frage, eng verbunden mit unserer Existenz, deren Beantwortung aufMechanismen hinweisen wird, die in der gegenwärtigen Version des SM nicht ent-halten sind, ist: woher kommt die beobachtete Asymmetrie zwischen Materie undAnti-Materie im Universum? Es ist nämlich so, dass wenn im Moment des Urknallsdie vorhandene reine Energie nur mit Hilfe der oben genannten Wechselwirkungenin Materie und Antimaterie überführt worden wäre, dann wäre der Materieüber-schuss um viele Größenordnungen kleiner. Also muss es Physik jenseits des SMgeben und es ist eines der wichtigsten Ziele der moderen Physik, die dieser zuGrunde liegenden Mechanismen zu entschlüsseln.

The Standard ModelThe Standard Model (SM) of the elementary particles provides a common descrip-tion of the constituents of matter as well as their fundamental interactions:

• the electromagnetic force (described by Quantum Electrodynamics (QED))describes nearly all phenomena of daily life. The force is mediated by themassless photon (the quantum of light).

• the weak force (unified with QED in the Weinberg-Salam model) is leadingto radioactive phenomena like the beta decay of the neutron, it is mediatedby the massive W - and Z-bosons.

• the strong force (described by Quantum Chromodynamics (QCD)) is re-sponsible for keeping the constituents of, e.g., nuclei (nucleons = protonsand neutrons) as well as their constituents (quarks) together. The force ismediated by Gluons or, over longer distances, by quark–antiquark pairs.

The fourth fundamental force - gravitation - is so tiny on length scales of atomsor nuclei that it can safely be neglected. Also, a consistent quantum treatment ofthis force is not yet available.The constituents of matter are the leptons (the electron and the electron-neutrinoand their heavier siblings, the muon and the tau with the accompanying neutrinos)and the quarks (up and down; strange and charm; bottom and top). The SM ordersall those particles into three families or generations (e.g. the electron, the elec-tron neutrino and the up and down quarks form the first generation) with similarproperties — only that the mass grows significantly from generation to generation.The world that surrounds us is made of the members of the first generation only;the other particles are present in cosmic rays or are produced in accelerators.The SM is incredibly successful — it is in fact the best tested theory ever construc-ted by mankind: e.g. theory and experiment agree for the electric dipole momentof the electron to 11 decimal places. However, there are still some un-answeredquestions: Why are quarks never found individually (confinement)? What are thecombinations of quarks that are allowed to exist? Where does the spin (internalangular momentum) of the nucleons come from? Why are there three generationsof quarks and leptons?Another question closely connected to our existence, whose solution will pointto mechanisms beyond the SM is: where does the apparent matter–antimatterasymmetry of the universe come from? Indeed, if at the big bang pure energy hadbeen converted into matter and anti–matter driven by the SM interactions only,the matter anti–matter asymmetry would be smaller by many orders of magnitudethan observed in nature. Thus, physics beyond the SM must exist and searchingfor it is one of the most important goals of modern research in pure science.

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COSY bestätigt die Existenzeines 6-Quark-Zustandes

Lange Zeit konnten Physiker nur zwei verschiedene Klassen von Hadronen sichernachweisen: flüchtige Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark beste-hen und Baryonen (z.B. Protonen und Neutronen), die sich aus drei Quarks zusam-mensetzen. In den letzten Jahren gab es jedoch vermehrt Hinweise, dass danebennoch weitere Arten von Hadronen existieren. Der Physiker Freeman Dyson hattebereits 1964 erstmals solche komplexen Zustände vorhergesagt. Doch ein siche-rer Nachweis blieb lange aus, kaum eine Messung ließ sich reproduzieren.Erst in der letzten Zeit hatten andere Forschergruppen unabhängig voneinanderstarke Indizien für schnelllebige exotische Teilchen aus vier Quarks - sogenanntenTetraquarks - gefunden. Mit dem nun bestätigten Bindungszustand, der 2011 erst-mals entdeckt wurde, kommt noch eine weitere Klasse exotischer Teilchen hinzu.Die neuartige Resonanz, die bei COSY beobachtet wurde, zeigt, dass Quarks imSechserpack tatsächlich existieren. Damit ist eventuell ein Tor zu neuen physikali-schen Phänomenen aufgestoßen.Die untersuchte Struktur ist extrem kurzlebig und ließ sich nur über ihre Zerfalls-produkte nachweisen. Der schnell vergängliche Zwischenzustand existiert geradeeinmal für die Dauer von 10−23 Sekunden. Diese Zeitspanne ist so kurz, dass Lichtdarin gerade einmal eine Strecke zurücklegt, die dem Durchmesser eines kleinenAtomkerns entspricht. Offen ist die Frage, ob alle sechs Quarks zusammen ein ge-meinsames Teilchen oder ein „hadronisches Molekül“ bilden. Eine solche Strukturwäre ähnlich wie viele Atomkerne aus mehreren Kernbausteinen aufgebaut.Zum eindeutigen Nachweis der exotischen Resonanz mit der Bezeichnung d∗(2380)haben die Wissenschaftler den relevanten Energiebereich in einem elastischenStreu-Experiment vermessen. Dabei beschossen sie ein Protonen-Target mit pola-risierten Deuteronen. Der bei der Kollision hervorgerufene, exotische Bindungszu-stand beeinflusste den Winkel, in dem sich die Teilchen nach dem Zusammenstoßvoneinander wegbewegen, und konnte so nachgewiesen werden. Die Ergebnisseordnen sich in ein größeres Bild ein. Wenn dieses Teilchen existiert, dann sindtheoretisch auch eine ganze Reihe anderer exotischer Zustände zu erwarten.

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COSY Proves Existenceof Six-Quark States

For a long time, physicists were only able to reliably verify two different classesof hadrons: volatile mesons comprising one quark and one antiquark and baryons(e.g. protons and neutrons) consisting of three quarks. In recent years, however,there has been growing evidence for the existence of additional types of hadrons.In 1964, the physicist Freeman Dyson was the first to predict such more complexstates. But any reliable verification proved impossible for many years because al-most no measurements could be reproduced.Only recently, other research groups - independently of each other - found strongindications for short-lived, exotic particles comprising four quarks, so called “te-traquarks”. The new bound state, which has now been verified at COSY, meansthat yet another class of exotic particles has been identified. The new resonance,that was observed at COSY, confirms that quarks really do exist in six-packs. Thisdiscovery could open the door to new physical phenomena.The structure is extremely short-lived and could only be detected via its decayproducts. The transient intermediate state exists for only 10−23 seconds before itdecays. This time span is so short that, for example, light can travel just a distanceequivalent to the diameter of a small atomic nucleus. Whether all six quarks forma single compact entity or rather a “hadronic molecule” has yet to be clarified.The latter would be composed of several nuclear building blocks - for example ofexcited protons and neutrons bound to each other.In order to gain further unequivocal evidence of the exotic resonance namedd∗(2380), the scientists scanned the relevant energy range in an elastic scatte-ring experiment. They bombarded a proton target with polarized deuterons. Theexotic bound state formed during the collision influenced the angle with whichthe particles moved away from each other after the collision, thus allowing it tobe identified. The findings are part of a bigger picture. If this particle exists, thentheoretically a whole range of other exotic states can be expected.

Mehr Informationen / For more information:http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/wasa/

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Kühlersynchrotron COSY

Eine „coole“ Rennbahn für Elementarteilchen, die selbst mit nahezu Lichtge-schwindigkeit nicht aus der Kurve fliegen.

Protonen- oder Deuteronenstrahlen kreisen in einem 183 Meter langen Vakuum-rohr mit nahezu Lichtgeschwindigkeit im COSY Beschleunigerring. Etwa 260 Vaku-umpumpen sorgen dafür, dass nur ganz selten ein Luftmolekül dem Teilchenstrahlin die Quere kommt. Der Druck im Vakuumrohr beträgt weniger als 10−9 Millibar.Die einzelnen Teilchen können im Mittel viele Tage kreisen, ohne dass sie mit ei-nem Luftmolekül kollidieren. Ähnlich wie der Weg des Lichtes in optischen Instru-menten durch Spiegel und Linsen beeinflusst wird, muss auch der Teilchenstrahlabgelenkt und fokussiert werden, um ihn in COSY auf Kurs zu halten. Dazu werden24 Dipolmagnete verwendet - jeder einzelne ist 27 Tonnen schwer - die den Teil-chenstrahl jeweils um 15 Grad ablenken, sodass sich insgesamt eine geschlosseneKreisbahn von 360 Grad ergibt. Außerdem ist COSY mit 56 Quadrupolmagnetenausgestattet, die den Teilchenstrahl bündeln. Hochfrequente elektrische Felder be-schleunigen den Teilchenstrahl: Bei jeder Runde erhalten die Teilchen dabei einenkleinen „Schubs“. Dadurch wird der Teilchenstrahl über 3 Sekunden auf bis zu97% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, das entspricht 2,8 Milliarden Elektro-nenvolt. Bei diesem Tempo könnten die Elementarteilchen in einer Sekunde sechsMal um die Erde fliegen. Damit sie im Beschleunigerring kreisen können, muss dieÄnderung der Magnetfelder synchron zur Beschleunigung des Teilchenstrahls imelektrischen Feld erfolgen, daher stammt die Bezeichnung Synchrotron.Es kommt nicht nur darauf an, schnell zu sein, sondern auch möglichst „cool“ zubleiben - also „kühl“ - was für den Physiker„geordnet“ bedeutet. Die Elementarteil-chen werden unentwegt zur Ordnung gebracht. Dies geschieht mit Hilfe von zweiStrahlkühlmethoden, der Elektronenkühlung und der stochastischen Kühlung, dieeinen nahezu gleichförmigen Teilchenstrahl erzeugen, in dem kein Teilchen aus derReihe tanzt. Daher resultiert auch der Name Kühlersynchrotron COSY. Für hoch-präzise Experimente der Teilchenphysik sind hochpräzise Teilchenstrahlen sehrwichtig.

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Elektronenkühlung�

Electron Cooling

Stochastische Kühlung�

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Stochastic Cooling

Cooler Synchrotron COSY

A “cool” race track for elementary particles, which are not kicked out in thecurve even at velocities close to the speed of light.

At the COSY accelerator proton or deuteron beams circulate in a 183 m long va-cuum tube almost at the speed of light. Approximately 260 vacuum pumps makesure that only in rare cases air molecules are interacting with the particle beam.The pressure inside the vacuum vessel is less than 10−9 Millibar. In average thebeam particles are able to circulate several days, without collisions with air mo-lecules. In analogy to the influence of mirrors and lenses on the path of light, theparticle beam needs to be deflected and focussed in order to keep it on track. Forthat purpose 24 dipole magnets are used - each of them with a weight of 27 tons- which deflect the particle beam by 15 degrees each, so that a closed circle of360 degrees is achieved. In addition COSY is equipped with 56 quadrupole ma-gnets which focus the particle beam. High-frequency electric fields accelerate theparticle beam: At every turn the particles get a small “push”. Thereby the particlebeam is accelerated in 3 seconds up to 97% of the speed of light, correspondingto 2.8 Billion electron volts. At that speed the elementary particles could fly sixtimes around the earth in one second. In order to circulate inside the acceleratorring the change of the magnetic fields has to be synchronous with the accelerationof the particle beam inside the electrical field, hence the name synchrotron.It is not only important to be fast, but also to stay “cool” - for physicists thatmeans “in order”. The elementary particles are put in order continously. This isdone with two beam cooling methods, electron cooling and stochastic cooling,which generate an almost homogeneous particle beam, hence the name “coolersynchrotron”. For high precision experiments in particle physics high precisionparticle beams are necessary.

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Der HESR für FAIR -dreimal größer als COSY

Seit nahezu 10 Jahren beschäftigt sich das IKP mit der Frage, wie der Beschleuni-ger HESR (HochEnergieSpeicherRing) an der Anlage FAIR in Darmstadt aussehensoll, mit dem Antiprotonen den Experimenten der Grundlagenforschung zugänglichgemacht werden. Seitens der Experimentatoren waren die Anforderungen schnellklar, mussten aber an einigen Stellen auf das technisch Machbare und Finanzier-bare festgeschrieben werden. Im Ergebnis wird der 575 m lange HESR mit normal-leitenden Magneten nun Antiprotonen im Energiebereich zwischen 0,83 GeV und14,1 GeV in exzellenter Qualität den Experimentatoren zur Verfügung stellen kön-nen. Dabei erreichen die Antiprotonen 98,8% der Lichtgeschwindigkeit und sind16 Mal schwerer als in Ruhe. Damit sind Forschungen möglich, die laut Gutachteninternationaler Experten das Tor zu neuen Klassen von Experimenten aufstoßen:Antiprotonen unterliegen im Unterschied zu den üblichen Projektilen anderen Aus-wahlregeln für zulässige „Reaktionen“ und erlauben damit neuartige Fragen an dieNatur.Alle 10 Sekunden können 100 Millionen Antiprotonen in der HESR eingeschossenwerden. Nach 100 Injektionen ist der HESR „voll“ (10 Milliarden Teilchen), und diePartikel können für die Verwendung im Experiment vorbereitet werden. Expertenaus allen Bereichen der Technik bewältigen die Herausforderungen, die der Bau ei-ner solch komplexen Maschine wie dem HESR mit sich bringt, angefangen von dertechnischen Infrastruktur, über die Bereiche der Ionenoptik, Magnetentwicklung,Vakuumtechnik, Beschleunigung und Strahlkühlung bis hin zur Strahldiagnose unddem internen Experiment PANDA.

Jeden Monat 1 Dipolmagnet, 4 Jahre lang

Damit möglichst alle eingeschossenen Teilchen im Beschleuniger gehalten werdenkönnen, werden unterschiedliche Magnettypen eingesetzt. Dazu gehören sog. Di-pol-, Quadrupol-, Sextupol- und Steerermagnete. 44 Dipolmagnete, jeder ca. 30 tschwer und 1,7 Tesla „stark“, werden in den Kreisbögen eingesetzt, um die Teil-chen durch die Kurven zu lenken. Zur Beschleunigung der Teilchen dient eine hoch-frequente elektromagnetische Welle, wie sie auch im Rundfunk benutzt wird. Je-des Mal, wenn die geladenen Teilchen den Spalt mit dem elektrischen Feld ausdieser Welle passieren, werden sie beschleunigt (1000 V). Nachdem die Teilchendann ihre geforderte Endenergie, erreicht haben, wird die Strahlqualität durch Me-thoden der Strahlkühlung (siehe Seite 8) verbessert. Dafür haben wir neuartigeSignalaufnehmer und Stellglieder entwickelt, die den Strahl vollständig umschlie-ßen, und beschäftigen uns mit neuester Halbleitertechnologie für die Signalver-stärkung (GaN). Für den fertig vorbereiteten Teilchenstrahl erwarten wir am Ortdes internen PANDA-Experiments (siehe Seite 12) einen Strahldurchmesser vonca. 1-2 mm.

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HESR for FAIR -three times bigger than COSY

Since about 10 years our Institute for Nuclear Physics is engaged in designing theaccelerator HESR (High Energy Storage Ring) at the FAIR facility at Darmstadt, Ger-many. The HESR will be a tool in the field of fundamental research to allow resear-chers to conduct experiments with antiprotons. The requirements were presentedquickly. Adaption to a technically feasible and economically reasonable machinewas the harder piece of work. As a result, the researchers will find the 575 m longHESR to be an accelerator operating with normal conducting magnets, suitable todeliver antiprotons in the energy range between 0.83 and 14.1 GeV with excellentbeam quality. The antiprotons will reach up to 98.8% of the speed of light and willthen be 16 times heavier than at rest. Experiments with antiprotons follow selecti-on rules different from those for the “usual” projectiles thus allowing new classesof experiments asking new questions to nature.Every 10 seconds 100 million antiprotons are injected into the HESR. After 100injections (10 billion particles) they will be prepared for use at the experiment.Experts from all technic fields tackle the challenges arising from building such acomplex machine like the HESR. Fields involved start with technical infrastructurefollowed by ion optics, magnet development, vacuum technology, acceleration, be-am cooling, beam diagnostics and finally, integration of the PANDA experiment.

One dipole magnet per month during 4 years

To keep as many particles as possible in the accelerator several types of magnetsare required, covering so-called dipole (pink strips), quadrupole (blue strips, 60cm long), sextupole (greep strips), and steerer magnets (solid blue). 44 dipolemagnets, each 30 tons in weight and 1.7 Tesla ”strong”, are needed in the arcsections to force the particles on their circular path. They are accelerated viaan electromagnetic wave well known from radio broadcasting stations. Each timethe charged particles cross the gap where the electric field of that wave is con-centrated (app. 1000 V) their energy will be increased. At final energy level thebeam quality will be enhanced by methods of beam cooling (see page 8) for whichwe developed dedicated structures which allow very efficient pick-up of the tinyelectric signals produced by the circulating particles and which allow appropria-te fast feedback action. For that purpose we investigate devices with the newestsemiconductor technology (GaN). The well prepared beam will be delivered to thePANDA experiment (see page 12) where a beam diameter of 1-2 mm is allowed atmaximum.

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PANDA - Experiment !!!!!!!

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PANDA - Experiment!!!!!!!

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PANDA - Physik !!!!!!!

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PANDA - Physics !!!!!!!

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Woher kommt der Spin des Protons?

Das Proton ist kein Elementarteilchen, sondern aus Quarks und Gluonen zusam-mengesetzt. Somit stellt sich die Frage: Wieviel Spin tragen die jeweiligen Anteile?Eine umfassende Beschreibung der Spinstruktur des Protons steht noch aus, dabei vorangegangenen Experimenten bestimmte Grössen nicht direkt messbar wa-ren. Ein neuer Weg, die fehlenden Teile des Spinpuzzle zu finden, ist die doppeltpolarisierte Paarvernichtung von Quarks und Antiquarks in einem Beschleuniger-ring (PAX - Polarized Antiproton eXperiments), d.h. die Spins beider Reaktions-partner haben eine Vorzugsrichtung. Antiquarks sind die Antiteilchen der Quarks,also Antimaterie. Wenn Antiprotonen auf Protonen treffen, dann können sich derenQuarks und Antiquarks vernichten. Hierbei kann ein Elektron-Positron-Paar entste-hen (siehe obere Grafik).

Polarisierte Protonen zur Verwendung in Beschleunigerringen lassen sich mit kon-ventionellen Methoden erzeugen. Antiprotonen wiederum können durch Wechsel-wirkung eines hochenergetischen Protonenstrahls mit einem „Target“ (z.B. Kupfer)unpolarisiert erzeugt danach und in einem Speicherring gespeichert werden. Einesolche Anlage befindet sich z.B. am CERN in Genf. Die derzeit einzige potentiel-le Methode, diesen Strahl von Antiprotonen zu polarisieren, ist das sogenannteSpinfiltern (siehe untere Grafik). Hierbei wechselwirkt der Antiprotonenstrahl miteinem kernspinpolarisierten Wasserstoffgas („Pol. H-Target“), welches sich in ei-ner offenen Speicherzelle im Speicherring befindet. Antiprotonen werden dadurchaus dem Strahl entfernt. Dies ist spinabhängig und somit baut sich nach einer Wei-le im verbleibenden Strahl eine Polarisation auf.

Die Anlage zur Erzeugung des polarisierten Wasserstoffs wurde in Jülich aufgebautund erfolgreich mit Protonen bei COSY getestet (siehe Foto). Um den Erfolg derMethode zu zeigen, sind aber Messungen mit Antiprotonen notwendig, welche nuran einem Antiprotonenspeicherring (z.B. am CERN) möglich sind.

Spinfiltern erzeugt Polarisation

von gespeicherten (Anti-)Protonen

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What is the origin of the Proton Spin?

The proton is not an elementary particle, it is comprised of quarks and gluons. Sothe question is: Which fraction of the proton-spin is carried by the its contents? Acomprehensive description of the spin structure of the proton was not yet found,because some quantities could not be measured by earlier experiments. A newway to find the missing parts of the spin puzzle is the double polarized annihilati-on of quarks and anti-quarks (PAX - Polarized Antiproton eXperiments), i.e. thespins of both reaction partners have a preferred direction. Anti-quarks are theanti-particles of quarks, i.e. anti-matter. If anti-protons and protons collide, quarksand antiquarks can annihilate, and an electron-positron pair can be created (seeupper figure).

Polarized protons for storage rings can be produced with conventional methods.Antiprotons can be produced unpolarized by interaction of a high-energy protonbeam with a ’target’ (e.g., Copper), and after stored in a storage ring. Such a facili-ty exists, e.g., at CERN in Geneva. The currently only potential method to polarizea beam of stored anti-protons is the so-called spin filtering (see lower figure). A be-am of anti-protons interacts with a nuclear polarized hydrogen gas (’Pol. H-Target’)which is located inside an open storage cell inside the storage ring. Anti-protonswill be removed from of the beam. Since this removal is spin dependent, the re-maining beam of anti-protons will be polarized.

The device to produce the polarized hydrogen was set up in Jülich and tested suc-cessfully at COSY (see photo). Measurements with anti-protons are necessary toshow the success of the method. These are only possible at an anti-proton storagering (e.g. at CERN).

Spin Filtering induces Polarization

of stored (Anti-)Protons

Mehr Informationen / For more information: http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/pax/

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Auf der Suche nach derverschwundenen Antimaterie

Physiker versuchen einem der großen Rätsel derKosmologie auf die Spur zu kommen.

Physiker lieben Symmetrien. Sie reduzieren oft enorm den Arbeitsaufwand. DasVolumen einer Kugel lässt sich einfacher bestimmen als das Volumen eines be-liebig geformten Körpers. In diesem Beispiel wird die Rotationssymmetrie aus-genutzt. In der Teilchenphysik spielen drei Symmetrieoperationen eine zentraleRolle. Bei der Paritätsoperation wird ein Objekt in sein Spiegelbild übergeführt.Eine Symmetrie gegenüber dieser Transformation bedeutet, dass ein Prozess undsein Spiegelbild gleich wahrscheinlich sind. Einfacher ausgedrückt: Es spielt keineRolle ob wir Rechts- oder Linksschrauben verwenden. Die Teilchenphysik kenntnoch zwei weitere fundamentale Symmetrieoperationen, die Zeitumkehr und dieLadungskonjugation (s. Abb. auf Seite 21). Symmetrie gegenüber der Zeitumkehrbedeutet, dass ein rückwärts ablaufender Prozess mit der gleichen Wahrschein-lichkeit auftritt wie der vorwärts ablaufende Prozess. Als Ladungskonjugation be-zeichnet man eine Operation, die alle Teilchen in ihre Antiteilchen überführt. Auseinem Wasserstoffatom bestehend aus Proton und Elektron wird ein Antiwasser-stoffatom bestehend aus Antiproton und Positron. Bis in die Mitte des 20. Jahr-hunderts glaubte man, dass alle Vorgänge in der Natur invariant unter diesen dreiTransformationen sind.Ein große Errungenschaft der Physik des 20. Jahrhunderts ist die Erkenntnis, dassalle drei dieser Symmetrien verletzt sind. Genau genommen verdanken wir genaudieser Tatsache unsere Existenz. Denn nach heutiger Vorstellung sind bei der Ent-stehung des Universums Materie und Antimaterie in gleichem Maße entstanden.Bei einem exakt symmetrischen Ablauf hätte sich jedes Teilchen mit einem seinerAntiteilchen vernichtet. Unsere Existenz verdanken wir also Mechanismen, die da-für sorgen, dass diese Vernichtung nicht vollständig abgelaufen ist, und das etwas,das wir heute Materie nennen übrig geblieben ist. Das Standardmodell der Ele-

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mentarteilchen kennt solche Mechanismen. Diese verlangen die Verletzung derfundamentalen Symmetrien der Ladungskonjugation und der Parität . Diese kom-binierte Verletzung der beiden Symmetrien wird CP-Verletzung genannt, wobei Cfür die Ladungskonjugation (im englischen charge conjugation) und P für Paritätsteht. Die aus dem Standardmodell bekannte CP-Verletzung ist jedoch nicht starkgenug, um den beobachteten Überschuss an Materie zu erklären. Nach Quellenwird daher gesucht.Diese äußern sich auch in fundamentalen Eigenschaften von Elementarteilchen,die an Beschleunigern untersucht werden können. Ein Beispiel ist das elektrischeDipolmoment. Elektrische Dipolmente entstehen, wenn die positiven und negati-ven Ladungsträger unterschiedliche Schwerpunkte haben. Bei einem Wassermole-kül sorgt es dafür, dass sich die Moleküle gegenseitig anziehen und Wasser unterNormalbedingungen flüssig ist. Wie man aus sehr allgemeinen Prinzipien ablei-ten kann, kann ein Elementarteilchen wie das Proton nur durch CP-verletzendeMechanismen zu einem Dipolmoment kommen. Der Nachweis eines elektrischenDipolmoments liefert daher Erklärungsansätze für den Überschuss von Materieim Universum. Die Herausforderung eines Experiments zur Messung eines elektri-schen Dipolmoments liegt in der Kleinheit des zu erwartenden Effekts: Wäre dasProton so groß wie die Erde, so wäre die Separation der Schwerpunkte positiverund negativer Ladungen innerhalb des Protons kleiner als der Durchmesser einesmenschlichen Haares (s. Abb. unten).Das Experiment erfordert zunächst die Präparation eines polarisierten Teilchen-strahls. Elementarteilchen wie das Protons besitzen einen Eigendrehimpuls, Spingenannt, der sich wie eine Magentnadel verhält. Polarisiert bedeutet, dass dieSpins, also die Magnetnadeln der Teilchen ausgerichtet sind (s. Abb. auf Seite20). Dieser Teilchenstrahl wird dann beschleunigt und in einem Speicherring ge-speichert. Die Existenz eines elektrischen Dipolmoments äußert sich durch eineÄnderung der Ausrichtung der Spins. Nach einer Verweildauer von etwa 1000 sim Speicherring wird das Teilchenensemble auf ein Target gelenkt. Die dort auftre-tenden Stoßprozesse geben Aufschluss über die Spinrichtung und damit über daselektrische Dipolmoment.Im Jahr 2011 hat sich die internationale Kollaboration JEDI (Jülich Electric DipoleInvestigations) mit Mitgliedern aus 10 Ländern formiert. Seit 2012 werden ver-schiedene Vorstudien am Cooler Synchrotron COSY in Jülich durchgeführt (s. FotoSeite 18), die langfristig auf das Design und den Bau eines neuartigen Speicher-rings zielen.

Mehr Informationen: http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/jedi/

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Keine Polarisation�

No Polarization

Polarisation-

Polarization

Looking for the missing anti-matter

Physicists try to solve one of the great mysteries incosmology.

Physicists love symmetries. They reduce the amount of work. It is much easierto determine the volume of a sphere compared to an arbitrarily shaped body. Inthis example one makes use of rotational symmetry. In particle physics three sym-metry operations play a major role. The parity operator converts an object intoits mirror image. A symmetry with respect to this transformation means that aprocess and its mirror image occur with equal probabilities. Expressed in simplewords: It does not matter whether we use left handed or right handed screws. Inparticle physics two additional operations are important, time reversal and chargeconjugation. Symmetry with respect to time reversal means that a process ope-rating backward in time occurs with the same probability as the one operatingforward in time (see Figure on page 21). Charge conjugation replaces all particlesby their anti-particles. A hydrogen atom consisting of a proton and an electron isconverted into an anti-hydrogen atom consisting of an anti-proton and a positron.Until the middle of the 20th century physicists believed that all processes in natureare invariant under these three transformations.One of the great achievements in physics in the 20th century is the finding thatall three of these fundamental symmetries are violated. Strictly speaking we oweour existence to this fact. According to our present understanding matter andanti-matter should have been produced in the same amount at the formation ofthe universe. If the universe had obeyed symmetry as it developed, every particlewould have been annihilated be one of its anti-particles. We owe our existenceto mechanisms that led to a world where something that we call matter remains.The Standard Model of particle physics contains such mechanisms. They requirethe combined violation of the charge conjugation and parity symmetries calledCP-violation. But the CP-violation in the Standard Model is is not strong enoughto explain the observed excess of matter. Further sources are of CP-violation arebeing sought.

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(Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Eberhard Widmann, Stefan Meyer Institut, Wien)

These sources could manifest themselves in the fundamental properties of ele-mentary particles which can be studied at accelerators. One example is the elec-tric dipole moment. Electric Dipole moments occur when positive and negativecharges have different centers of gravitiy (see Figure on page 19). For a water mo-lecule it leads to an attraction between the molecules which causes water to beliquid under normal conditions. From very basic principles one can deduce that anelementary particle like the proton can only acquire an electric dipole moment viaCP violating mechanisms. Thus the observation of an electric dipole moment gi-ves hints about mechanisms which led to the matter that dominantes the universe.The challenge of an experiment to measure electric dipole moments is the small-ness of the expected effect. If the proton were the size of the earth, the positiveand negative charges would be separated by only the diameter of a human hair.The experiment requires the preparation of a polarized proton beam. Elementaryparticles like the proton have a property called spin, which behaves like a compassneedle. Polarized means that all spins (compass needles) are aligned (see Figureon page 20). The proton beam will be accelerated and stored in a storage ring. Af-ter a period of approximately 1000 s the particle beam will be sent onto a target.The examination of scattering from the target allows one to study changes in thespin direction and thus learn about the electric dipole moment.In 2011 an international collaboration called JEDI(Juelich Electric Dipole momentInvestigations) with members from 10 countries was formed. Studies are under-way at the Cooler Synchrotron COSY (see Photo on page 18). In the long termthese studies will lead to the design and construction of a new type of storagering.

For more informationen: http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/jedi/

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Escher-Zeichnung entfernt bis zur Genehmigung

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(194

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Überprüfung der Zeitumkehrinvarianzan COSY (TRIC - Experiment)

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt die Vorgänge um uns her-um sehr genau und basiert auf dem Konzept der Symmetrie. Es gibt drei funda-mentale Symmetrien im SM (Zeit (T), Parität (P) und Ladung (C)), die Invarianzeines Prozesses in Bezug auf die Zeitachse (T-Invarianz) ist eine davon. Makrosko-pische Systeme, welche wir täglich wahrnehmen, haben nicht notwendigerweiseeine Zeitumkehrinvarianz, für mikroskopische Systeme ist diese allerdings ein na-türliches Konzept und stellt eine Basis des Standardmodells dar. Mathematischversteht man unter Zeitumkehrinvarianz die Invarianz unter Änderung Richtungder Zeitachse, was für einen makroskopischen Vorgang absurd klingen mag. Esbeinhaltet die Unveränderlichkeit eines Prozesses von der zeitlichen Reihenfolge.Ein Beispiel: Wenn sich ein Teilchen von einem bestimmten Punkt mit einer be-stimmten Geschwindigkeit in eine Richtung bewegt, kann es nach einer vollstän-digen Richtungsänderung (bei gleicher Geschwindigkeit) nach derselben Zeit denAusgangspunkt wieder erreichen. Die tritt aber nur ein, wenn Zeitumkehrinvarianzherrscht.Für alle drei Symmetrien wurde Verletzungen in allen bekannten Teilen der Theoriebeobachtet. Das Problem ist, dass die beobachtete Stärke der T-Verletzung nichtdie Baryonen-Asymmetrie im Universum erklären kann. Die Baryonen-Asymmetrieist der Unterschied zwischen der Anzahl der Baryonen (Protonen und Neutronen)und der Anzahl der Antibaryonen (Antiprotonen und Antineutronen) in unserem Teildes Universums. Die Anzahl der Baryonen ist mehr als 100 Millionen mal größerals vom Standardmodell vorhergesagt. Daher ist es notwendig, nach neuen Quel-len einer möglichen T-Verletzung zu suchen neue Reaktionen zu identifizieren, indenen die T-Symmetrie verletzt ist.Bisher wurden nur winzige Verletzungen der T-Symmetrie in mehreren Mesonen-Systemen beobachtet. Trotz hohem Aufwand konnte keine Verletzing der T-Invarianzin Baryonen-Systemen beobachtet werden. Es gibt nur eine echte zeitinvarianzver-letzende Größe, welche in einem Baryonen-Streuexperiment mit einem polarisier-ten Protonenstrahl und einem tensorpolarisierten Deuteriumtarget (Deuterium =Proton + Neutron) zugänglich ist. Am Cooler-Synchrotron (COSY) haben wir mithil-fe des PAX-Aufbaus (siehe Seite 16) die Möglichkeit diese Größe zu messen.

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Test of Time Reversal Invarianceat COSY (TRIC experiment)

The Standard Model (SM) of particle physics, which is very successful in the de-scription of processes around us, is based on the concept of symmetry. Thereare three fundamental symmetries (Time (T), Parity (P) and Charge (C)) in the SM,the invariance of a process in respect to the time axis (Time-invariance) is oneof them. Although, macroscopic systems, which we see around us, do not sharethe time-reversal symmetry, for the microscopic systems this is a natural conceptwhich is one of the bases of the Standard Model. Mathematically the time reversalinvariance means change of the direction of the time axis, which is kind of absurdfor a macroscopic object, but actually implies an invariance of the process to thechange of the sequence in which system occupies certain states. For example, ifa particle with a certain coordinate travels with a certain speed for some time inone direction, in the case of change of direction it can reach the same coordinatein space moving for the same time with the same speed, but only if time symmetryholds.For all the three symmetries violations have been observed, and for all knownchannels implemented into the theory. But the amount of T-violation observed upto now is not enough to explain the Baryon Asymmetry of the Universe, whichlinks the observed number of baryons (protons and neutrons) and antibaryons(antiprotons and antineutrons) in our part of the Universe. The number of baryonsis more than a hundred million times larger than it is expected on the basis of theStandard Model. Hence, it is necessary to search for the new sources of possibleT violation and identify new reactions in which T-symmetry is violated.Up to now, only tiny effects of T-symmetry violation were observed in several me-son systems. Despite significant effort, no violation of T-invariance in a systemof baryons was observed. There is the unique genuine T-violation sensitive obser-vable accessible in a baryon scattering experiment with a polarized proton beamand a tensor polarized deuterium target (the simplest nuclei from one proton andneutron). At the Cooler-SYnchrotron (COSY) we have a unique opportunity to testa genuine T-invariance sensitive observable using the PAX installation (see page16) at COSY.

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Polarisierte Kernfusion

Seit einigen Jahren ist bekannt, dass die Reaktionswahrscheinlichkeiten der Fusi-onsreaktionen d + t→ 4He + n und d + 3He→ 4He + p sehr stark von der Polari-sation, d.h. von der Ausrichtung der Kernspins, abhängen. Sind z.B. die Spins desDeuterons und des Tritons antiparallel ausgerichtet, kann eine Fusion praktischnicht stattfinden. Sind dagegen beide Spins parallel, steigt die Reaktionswahr-scheinlichkeit um einen Faktor 1.5 an. Dadurch wird wiederum der Energieaus-stoß eines Fusionsreaktors deutlich erhöht. So haben Simulationen gezeigt, dassbei der Laser-induzierten Kernfusion mit polarisiertem Treibstoff etwa 4-mal mehrEnergie produziert wird und bei einem Tokamak-Reaktor wie ITER immerhin nocheine Verdopplung der Energieausbeute möglich ist.Doch bevor die Polarisation des Fusionstreibstoffs in der Energieproduktion durchKernfusion eingesetzt werden kann, sind noch eine Reihe fundamentaler Fragenzu klären:

1. Wie ist die Polarisationsabhängigkeit anderer Fusionsreaktionen,z.B. d + d→ t + p oder d + d→ 3He + p ?

2. Bleibt die Polarisation in verschiedenen Fusionsplasmen überhaupt erhal-ten?

3. Wie kann man ausreichende Mengen hochpolarisierten Treibstoffs, insbe-sondere von Deuterium, herstellen und lagern?

4. Welche weiteren Effekte muss man bei polarisiertem Treibstoff beachten?

In Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsgruppen weltweit wird derzeit an die-sen Fragen gearbeitet. So ist es erst vor kurzem in Jülich gelungen, polarisierteDeuterium-Moleküle durch Rekombination von polarisierten Atomen herzustellen.In einem nächsten Schritt soll nun versucht werden, diese Moleküle bei tiefenTemperaturen auszufrieren und auf diese Weise zu lagern. Somit wäre es mög-lich, ausreichend Treibstoff zu erzeugen, um zumindest für einige Sekunden einenFusionsreaktor mit polarisiertem Treibstoff für weitergehende Experimente zu ver-sorgen.

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Deuterium Source:

~D

Deuteron Source:

~d

~d+~d→ p + t

~d+~d→ 3He + p

Lamb-shift /Nuclear Reaction

Polarimeter

(FZ-Jülich)

Lamb-shiftPolarimeter

(FZ-Jülich)

Detector System:

≈ 500 PIN diodes

Double polarizedExperiment at PNPI

- -

?

?

Polarized Fusion

Since several years it is known that the cross sections of the fusion reactionsd + t→ 4He + n and d + 3He→ 4He + p depend strongly on the polarization, i.e.the alignment of the nuclear spins. For example, if the spins of the deuteron andthe triton are antiparallel aligned nuclear fusion is suppressed strongly. When bothspins are parallel the reaction rate is increased by a factor 1.5. Therefore, theenergy gain of a fusion reactor can be increased significantly. Simulations haveshown that the energy output of laser-induced fusion can be increased by a factor4 when polarized fuel will be used. For a tokomak reactor like ITER the energy gainwill be doubled.But before polarized fuel can be used for energy production by nuclear fusionseveral fundamental questions must be answered:

1. What is the dependence of other fusion reactions like d + d→ t + por d + d→ 3He + p on the polarization of the deuterium?

2. Will the polarization survive in the different types of fusion plasmas?

3. Is it possible to produce and store enough polarized fuel, especially deute-rium?

4. Are there other effects when polarized fuel will be used?

In collaboration with researchers worldwide we are working to answer these que-stions. E.g., in Jülich polarized deuterium molecules are produced for the first timeby recombination of polarized deuterium atoms. In a next step we will try to free-ze and to store them at low temperatures. Therefore, it seems to be possible tocollect enough polarized fuel to feed a fusion reactor at least for some seconds toallow further experiments.

Weitere Informationen / For more information:www.fz-juelich.de/ikp/ikp-2/DE/Entwicklung/PolMol/_node.htmlwww.fz-juelich.de/ikp/ikp-2/DE/Forschung/PolFusion/_node.html

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Kurzpuls-Strahlungsquelle JuSPARC

JuSPARC (Jülich Short-Pulsed Particle and Radiation Center) ist ein geplantes in-terdisziplinäres Zentrum für Forschung mit extrem kurzen Photonenpulsen so-wie Neutronen- und polarisierten Ionenstrahlen. Diese sollen mit einem Kurzpuls-Höchstleistungslaser (Leistung bis zu einigen Petawatt, also 1015 Watt, was unge-fähr dem 100-fachen der Leistung aller Kraftwerke wletweit entspricht) bei Puls-dauern im Bereich von 10 Femtosekunden = 10−14 seconds erzeugt werden, wo-bei neuartige Targettechnologien zum Einsatz kommen werden.JuSPARC soll an der COSY-Beschleunigerhalle aufgebaut werden und eine wich-tige Infrastruktur im FZJ sein, an der alle wesentlichen Forschungsfelder des For-schungszentrums bedient werden können. Derzeit arbeitet ein Konsortium der FZJ-Institute PGI, IAS, IEK, IKP, INM, ZEA sowie deutscher Universitäten, der GSI Darm-stadt, und des ITEP, MPEI (Moskau) an der Realisierung von JuSPARC. JuSPARC sollin mehreren Stufen aufgebaut werden, beginnend mit einem fs-Laser von einigenTerawatt (1012 W) Leistung. Dieser wird auch nach den folgenden Ausbaustufennutzbar sein. Bei allen Laserkomponenten sollen kommerzielle Produkte zum Ein-satz kommen um höchstmögliche Betriebssicherheit zu ermöglichen.Trotz weitgehender Fortschritte im Bereich der Laser-induzierten Teilchenbeschleu-nigung ist die Wirkung der starken magnetischen Felder der Plasmen auf die Spinsder beschleunigten Teilchen bis heute unklar. Im Rahmen des JuSPARC-Projektswird sich das IKP-4 mit der Erzeugung und Nutzung von polarisierten Ionenstrah-len befassen. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang 3He2+-Ionen. Diese könnten als effektive polarisierte Neutronenstrahlen genutzt werden,da der Spin eines 3He-Kerns im Wesentlichen durch das Neutron getragen wird.Allerdings sind solche Strahlen heutzutage nicht verfügbar, da es keine 3He2+ Io-nenquellen gibt. Ein erster Schritt hin zur Realisierung polarisierter Ionenstrahlenist die Messung des Polarisationsgrades Laser-beschleunigter Protonen und Ionen.Diese Technik wurde durch eine Arbeitsgruppe des FZJ und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHUD) entwickelt. Für diese Messungen wurden Protonenaus einem unpolarisierten Target verwendet, für die man keinen Polarisationsauf-bau erwartet. Dies wird durch die Messungen bestätigt. Dieses „negative“ Ergeb-nis deutet darauf hin, dass die Spins der beschleunigten Teilchen nicht von denPlasmafeldern beeinflusst werden. Dies wiederum ist vielversprechend für Experi-mente mit vorpolarisierten Targets, wie 3He-Gas, welche demnächst an der Arctu-rus Laseranlage (HHUD) und PHELIX (GSI) stattfinden werden.

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Short-pulse Radiation Center JuSPARC

The proposed Jülich Short-Pulsed Particle and Radiation Center (JuSPARC) will bean interdisciplinary center for collaborative research with ultra-short pulsed pho-tons as well as neutrons and polarized ion beams. These beams will be generatedemploying the radiation from a high-power (up to a few Petawatts, i.e. 1015 W,which roughly corresponds to 100 times the power of all generating plants world-wide), short-pulse laser (pulse durations in the 10 femtoseconds = 10−14 secondsrange), using novel target technologies.JuSPARC will be set-up next to the COSY-accelerator hall and is intended to be amajor infrastructure facility of the FZJ covering requirements of all main researchareas. For the realization of JuSPARC a consortium has been installed with partici-pation of PGI, IAS, IEK, IKP, INM, ZEA from FZJ, together with german Universities,with GSI Darmstadt, as well as ITEP and MPEI from Moscow. The realization ofJuSPARC will follow a plan of sequential steps, which starts with the constructi-on and installation of a dedicated few-Terawatt (1012 W) class femtosecond lasersystem. After each upgrade the previous constellation will still be fully usable. Ju-SPARC will completely rely on commercially available laser systems and does notintend an on-site development of high power laser systems.Despite many advances in the field of Laser-induced particle generation, one un-explored issue is how the particle spins are influenced by the huge magnetic fieldsinherently present in the plasmas. Within JuSPARC, IKP-4 will be in charge of thegeneration and use of such polarized ion beams. Of particular interest in this con-text are 3He2+ ions. They can serve as substitute polarized neutron beams, sincethe spin of a 3He nucleus is mainly carried by the neutron. However, such beamsare currently not available due to the lack of corresponding ion sources. As a firststep towards the generation of polarized ion beams, a group from FZJ and theHeinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHUD) has developed a method to mea-sure the degree of polarization of laser-accelerated protons or ions. For theseexperiments protons from an unpolarized target have been used, for which no po-larization build-up is to be expected. This has also been found experimentally. The“negative” result indicates that the particle spins are not affected by the strongplasma fields. This is promising for future measurements using pre-polarized tar-gets, like 3He gas, which are under way at the Arcturus Laser facility (HHUD) andPHELIX (GSI).

Mehr Information / For more information: http://www.fz-juelich.de/jusparc

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Numerische Simulation der Atomkernemit effektiver Feldtheorie

Die Kernkraft, die Neutronen und Protonen in Kernen zusammen hält, spielt ei-ne wichtige Rolle in der Entwicklung des Universums. Bereits 10 Minuten nachder Geburt unseres Universums im Urknall führte diese Kraft bei der sogenann-ten primordialen Nukleosynthese zur Bildung der leichten Atomkerne wie Helium,einem Bestandteil der Atmosphäre unserer Sonne, und Lithium, das ein elemen-tarer Bestandteil in z.B. Handy-Batterien ist. Aus diesen Elementen bildeten sichdann die ältesten Sterne unseres Universums, in denen die Kernkraft in weiterenReaktionen Elemente bis hin zu Eisen und Nickel bilden konnte. Durch Superno-vae, gigantischen Explosionen am Lebensende der schwersten unter den Sternen,wurden dann nicht nur diese Elemente verstreut, sondern auch noch schwereregebildet. Wieder hat die Kernkraft die dazu nötigen Reaktionen hervorgerufen.Obwohl wir bereits wissen, dass die Kernkraft sehr wichtig für die Entstehung un-seres Universums ist, gibt es immer noch viele ihrer Eigenschaften und die derAtomkerne, die wir nicht verstehen. Insbesondere ist noch nicht vollständig ge-klärt, wie die Kernkraft aus der zu Grunde liegenden fundamentalen Kraft, derQuanten-Chromo-Dynamik (QCD), hervorgeht. Aber selbst wenn man ein Modellfür die Kernkraft voraussetzt, ist eine Lösung für diese selbstgebundenen, quan-tenmechanischen Viel-Teilchensystemen sehr schwer, weil die Komplexität derKerne exponentiell mit ihrer Größe wächst.Wegen dieser Probleme waren wir bisher noch nicht in der Lage fundamentale Fra-gen der Kernphysik zu beantworten, wie beispielsweise die Frage: „Wie sensitiv istdas Leben wie wir es kennen auf die gegenwärtige Form der Kernkraft?“ In ande-ren Worten: Welchen Einfluss auf die Zusammensetzung der Kerne hätte es, wenndie Kernkraft ein wenig anders wäre? Hätte sich das Universum dann sehr ver-schieden entwickelt? Wären noch hinreichend viele der lebensnotwendigen Kernewie Kohlenstoff und Sauerstoff produziert worden?Um Antworten auf diese und ähnliche Fragen zu finden, entwickelt und nutzt dieTheorie-Gruppe des IKP, die in das Institute of Advanced Simulation (IAS) einge-bettet ist, moderne Gitter-Monte-Carlo Algorithmen, um Kerne auf diskretisiertenRaum-Zeit Gittern zu simulieren. Protonen und Neutronen sind die fundamentalen

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Bausteine dieser Simulationen; die Kraft zwischen ihnen ist aus den Symmetriender QCD abgeleitet.Die Komplexität dieser Berechnungen macht es notwendig beträchtlichen Compu-ter-Ressourcen zu nutzen, die das Jülich Supercomputing Centers (JSC) auf demSupercomputer JUQUEEN zur Verfügung stellt. Da das Forschungszentrum Höchst-leistungscomputer mit den Experten der Kernphysik zusammen bringt, wird die IKPTheorie-Gruppe in die Lage versetzt, Kerne mit noch nie erreichter Komplexität undGenauigkeit zu simulieren und damit zu beginnen, die oben aufgeworfenen Fragenzu beantworten.

Physiker nutzen Supercomputer, um die komplexen

Eigenschaften von Kernen zu berechnen

Simulating Nuclei with LatticeEffective Field Theory

The nuclear force that binds neutrons and protons into nuclei plays an importantrole in the evolution of our Universe. Already within 10 minutes after the birth ofour Universe (known as the ”Big Bang”), the nuclear force, in a process called BigBang Nucleosynthesis, was instrumental in the formation of light nuclei such asthe helium found in the atmosphere of our Sun and the lithium used in our cellphone batteries. These very first ”primordial” elements became fuel for the oldeststars in our Universe. The burning of these light elements within these stars, enab-led again by the nuclear force, left ashes composed of nuclei as heavy as iron andnickel. During the death throes of super massive stars undergoing supernovae, thenuclear force again was responsible for the production of even heavier elements.As important as the nuclear force is with regards to the evolution of our Universe,there are still many aspects of the nuclear force and nuclei that we do not under-stand. This is because we do not completely understand how the nuclear forceemerges from the underlying theory of Quantum Chromodynamics (QCD), and al-so because the complexity of nuclei, which are self-bound, quantum mechanicalmany-body systems, grows exponentially with system size. This complexity andlack of understanding have prevented us from answering key questions in nuclearphysics, such as “How sensitive is life, as we know it, to the current form of thenuclear force?” In other words, if the nuclear force was slightly different then whatit is now, how would that change the composition of stable nuclei? Would the evo-lution of the Universe take a completely different trajectory? Would the requisiteabundance of life-enabling nuclei, such as carbon and oxygen, be produced?To answer such questions, the theory group at IKP utilises state of the art Latti-ce Monte Carlo (LMC) algorithms to simulate nuclei on a discretised space andtime grid. Protons and neutrons are the basic building blocks in these simulations,and the nuclear force between these particles are derived from the underlyingsymmetries of QCD. The complexity of these calculations requires the use of sub-stantial computing resources, which are provided through Jülich SupercomputingCenter (JSC) allocations on the JUQUEEN supercomputer. The confluence of largehigh-performance computing resources and nuclear theory experts within the FZJprovides the IKP theory group the ability to simulate nuclei at unprecedented sizeand complexity, and to begin to answer the questions posed above.

Physicists use supercomputers to calculate the

complex properties of nuclei

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Karrierewege im IKP

A career in IKP

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Glossar / Glossary

Antimaterie: Gegenstück zur Materie.Ein Materieteilchen kann mit seinem Anti-Materie Gegenstc̈k zu reiner Energie zer-strahlen, bzw. beide können aus Energieentstehen.

Elementarteilchen: Fundamentale Bau-steine der Materie.

GeV: Physikalische Einheit der Energie;1 GeV entspricht 1,6 x 10−10 J.

Gluonen: Feldteilchen der starken Kraft.

Hadronen: Spüren die starke Kraft; be-stehen aus Quarks.

Neutron: ungeladener Kernbaustein - be-steht aus Quarks.

Photonen: Feldteilchen der elektroma-gnetischen Kraft.

Polarisation: Spins einer Menge von Teil-chen haben eine Vorzugsrichtung.

Proton: geladener Kernbaustein - bestehtaus Quarks.

Quanten-Chromodynamik (QCD):Theorie, welche das Verhalten der Quarksund Gluonen beschreibt.

Quarks: Bausteine der Hadronen. Spürenalle Kräfte.

Spin: Intrinsischer Drehimpuls von sub-atomaren Teilchen (hat kein klassischesAnalogon).

Supernova: Der Moment, wenn eingroßer Stern seine Brennstoff verbrauchthat und explodiert.

Tesla: Physikalische Einheit der magneti-schen Flussdichte.

Urknalltheorie: Theorie, welche die frü-he Entwicklung unseres Universums nachseiner Geburt beschreibt, vor ca. 13,7 Mil-liarden Jahren.

Urknall-Nukleosynthese: Die Produk-tion von leichten Kernen 10 Sekunden bis20 Minuten nach der Geburt unseres Uni-versums.

Antimatter: Counter part to matter. Apiece of matter can annihilate with itsantimatter counter part to produce pureenergy; on the other hand the pair can beproduced from pure energy.

Elementary particles: fundamentalbuilding blocks of matter.

GeV: Physical Unit of energy; 1 GeV isequivalent to 1,6 x 10−10 J.

Gluons: Field-quanta of the strong force.

Hadrons: feel the strong force; made ofquarks.

Neutron: electrically neutral buildingblock of nuclei - contains quarks.

Photons: field-quanta of the electro-magnetic force.

Polarization: Spins of a bunch of partic-les have a preferred direction.

Proton: charged building block of nuclei -contains quarks.

Quantum Chromodynamics (QCD):The theory that governs the behaviour ofquarks and gluons.

Quarks: building blocks of hadrons. Feelall forces.

Spin: intrinsic angular momentum of sub-atomic particles (has no classical analo-gon)

Supernova: The final moment when alarge star exhausts its nuclear fuel and un-dergoes an explosion.

Tesla: Physical unit of the magnetic fieldstrength.

Big Bang Theory: Theory that descri-bes the early evolution after the birth ofour Universe, which occurred approxima-tely 13.7 billion years ago.

Big Bang Nucleosynthesis: The pro-duction of light nuclei that occurred bet-ween 10 seconds to 20 minutes after thebirth of our Universe.

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Mitglied der: