rmalar Deutsches Elektronen-Synchrotron S. Sultansoy I.Ulusal Parçac

Transkript

1 DESY Hızlandırıcı Merkezinde Temel ve Uygulamalı Araştırmalar rmalar Deutsches Elektronen-Synchrotron S. Sultansoy I.Ulusal Parçac acık k HızlandH zlandırıcıları Yaz Okulu,

2

3 Kuruluşu u ve Amacı Kuruluşu: u: DESY, 18 Aralık 1959 da Almanya nın Hamburg şehrinde imzalanmış bir kontratla kurulmuş ve adım m adım m hayata geçirilmi irilmiş parçac acık k fiziği i deneylerinin yapıld ldığı ve sinkrotron ışınımı kullanılarak larak araştırma rma ve uygulamaların n gerçekle ekleştirildiği i Almanya nın en büyük b ulusal araştırma rma laboratuvarıdır.. Berlin-Zeuthen Zeuthen de kurulu bulunan Yüksek Y Enerji Fiziği i Enstitüsü iki Almanyanın birleşmesinden sonra 1 Ocak 1992 de DESY nin bir parças ası haline getirilmiştir. tir. DESY,, Hermann von Helmholz Ulusal Araştırma rma Merkezleri Birliğinin inin (HFG) 16 üyesinden biridir. Kuruluş Amacı: The The promotion of fundemental scientific research, principially through the construction and operation of particle accelerators and their scientific usage

4 DESY de Çalışılan Konular - Deneysel Parçac acık k fiziği (H1, ZEUS, HERMES ve HERA-B B deneyleri) - Sinkrotron ışınımı (Elde edilmesi ve yüzey y fiziği, i, malzeme bilimi, kimya, moleküler ler biyoloji, jeofizik ve tıp p alanında nda kullanılmas lması) - Serbest Elektron Lazeri (TTF FEL Phase I,II) TESLA projesi ve Ek projeleri (THERA #, PHOTON COLLIDER #, ELFE, TESLA-N, X-FEL) X - TESLA # Ankara grubunun katılımı ile

5

6 DESY ile İşbirli birliği i Yapan Ülkeler 35 ülkeden 270 dolayında üniversite ve araştırma rma merkezinden 3000 civarında araştırmac rmacı: Ermenistan (ARM( ARM), Avustralya (AUS( AUS), Avusturya (A),( Belçika (B),( Brezilya (BR( BR), Bulgaristan (BG( BG), Kanada (CAN), Çin (VRC( VRC), Çek Cumhuriyeti (CZ( CZ), Danimarka (DK), Estonya (EW( EW), Finlandiya (SOU( SOU), Fransa (F),( Almanya (D),( Yunanistan (GR( GR), İngiltere (GB( GB), Macaristan (H), İrlanda (IRL( IRL), İsrail (IL( IL), İtalya (I),( Japonya (J),( Kore (ROK), Hollanda (NL( NL), Norveç (N), Polonya (PL( PL), Portekiz (P),( Rusya (RUS( RUS), İsveç (S), Slovakya (SQ( SQ), Slovenya (SLO( SLO), Güney G Afrika (ZA( ZA), İspanya (E),( İsviçre (CH), Ukrayna (UA( UA) ) ve Amerika Birleşik ik Devletleri (USA).

7 Almanya nın 16 ulusal araştırma merkezinden biri olan DESY 1959 yılında Hamburg da kuruldu 1960 lı yıllarda tüm NATO ülkeleri (Türkiye haric) DESY ile İşbirliği Anlaşması imzaladı 1970 li yıllarda birçok Doğu Bloğu ülkesi aynısını yaptı 1996 yılında DESY Directorium başkanı Professor B. Wiik Ankara yi ziyaret ederek AÜ-DESY işbirliği anlaşmasını imzaladı.... TTF FEL (Serbest Elektron Lazeri) bu yıl kullanıma açılıyor 2007 yılında tamamlanacak PETRA Sinkrotron Işınımı kaynağı dünyanın en ileri ışınım kaynağı olacak 2012 yılında tamamlanacak TESLA X-FEL Binyılın Işınımı adlandırılıyor Tüm engellemelere rağmen asgari DPT desteği sayesinde TAC grubu olarak DESY ile bilimsel işbirliğimizi sürdürüyoruz

8

9

10 DESY HızlandH zlandırıcıları Önhızlandırıcılarlar LINAC II LINAC III PIA DESY II DESY III PETRA II : e - /e + ; 900/450 MeV; 70 m. : H - (p için), i in), 50 MeV/c; 32 m : e - /e + (Akümülat latör); 450 MeV ; 29 m : e - /e + ; 9 GeV; 293 m : p; 7.5 GeV/c; 317 m : e - /e + ; 12 GeV; p:40 GeV/c; 2304 m

11 DESY HızlandH zlandırıcıları Parçac acık k fiziği deneyleri için: i in: HERA: Hadron-Electron Ring Accelerator e - /e + : 27 GeV, p: 920 GeV Çevresi 6336 m 4 Etkileşme (deney dedektörü) ) bölgesib : H1, ZEUS, HERMES, HERA-B

12

13 DORIS III DESY HızlandH zlandırıcıları Sinkrotron IşıI şınımı Halkaları : e + ; 4.5 GeV; 289 m Eğici magnetlerden 11 demet hattı,, Görünür G ışıktan X-ışını bölgesine ışınım m (0.2( ev 200 KeV), VUV-X ışını bölgesinde ışınım m veren wiggler ve undulatörler magnetlerden 10 demet hattı (20 ev 200 kev). PETRA II : e - /e + ; 12 GeV ; 2304 m Undulatörden 1 demet hattı: : Sert X-ışıX ışını (15 kev-500 kev)

14 Parçac acık k Fiziği i Deneyleri DESY de DESY elektron sinkrotronunun çalışmaya başlad ladığı 1964 yılından bu yana deneysel parçac acık k fiziği ve 1970 lerden DORIS ve PETRA üzerinde oluşturulan demet hatları ile sinkrotron ışınımı araştırma rma ve uygulamaları yapılmaktad lmaktadır. Özellikle yıllary lları arasında PETRA elektron-pozitron çarpıştırıcısında gluon un un keşfi üzerine önemli deneysel sonuçlar elde edilmiştir. Son yıllarda y PETRA hızlandh zlandırıcısı,, PETRA II adıyla HERA hızlandh zlandırıcısına na elektron ve proton enjektörü olarak hizmet vermektedir yılında HERA elektron-proton çarpıştırıcısının devreye girmesi ile HERA üzerindeki 4 etkileşme noktasında nda H1, ZEUS, HERMES ve HERA-B deneyleri çalışmaktadır.

15 Parçac acık k Fiziği i Deneyleri H1 HERA Kuzey bölgesinde kurulu ve 27 GeV lik elektron demeti ile 920 GeV lik proton demetinin çarpıştırılarak derin inelastik saçılmal lmalardan elde edilen bilgiler ile protonun içi yapısının, temel etkileşmelerin ve Standard Model Ötesi fiziğin in araştırıld ldığı bir deneydir den beri çalışan HERA halkasının kuzey kısmk smında 12 m x 10m x 15 m boyutlarında, toplam ağıa ğırlığı 2800 ton olan ve dışd ışarıdan içeriye i wire chamber, sıvıs argon kalorimetresi, süperiletken s sarım, müon m odacığı ığı,, demir çekirdek, müon m spektrometresi, ışınl nlık k monitörü ve proton dedektörü kısımlarından oluşan bir dedektörd rdür.

16 Parçac acık k Fiziği i Deneyleri ZEUS HERA güneyg kısmında bulunan, mikro dünyand nyanın yasalarına ve temel etkileşmelerin fiziğine ine ışık k tutan derin inelastik elektron- proton saçılmalar lmaları yoluyla veri üreten bir deney dedektörüdür. r. Uluslarasası işbirliği i ile kurulmuş bu dedektör r 12m x 11m x 20 m boyutlarında, toplam 3600 ton ağıa ğırlığındadır r ve dışd ışarıdan içeriye i wire chamber sistemi, süperiletken s sarım, sintilatör r uranyum kalorimetre, müon m odacıklar kları,, demir çekirdek, müon m spektrometresi, ışınl nlık k monitörü,, ileri yönly nlü proton dedektörü kısımlarından oluşmaktad maktadır

17 Parçac acık k Fiziği i Deneyleri HERMES Nükleonların n spin yapısını araştıran ran ve 1995 ten beri veri toplayan bir deneydir. HERA doğu kısmında yer almakta ve boyuna polarize elektron demetlerinin polarize gaz hedeften saçılmas lması yoluyla veri üreten dedektörd rdür. r. 3.5 m x 8 m x 5 m boyutlarında ve 400 ton ağıa ğırlığında olan bu dedektör r polarize gaz hedef, spektrometre magneti, Cherenkov sayacı,, düzlemsel d sürüklenme s odacıklar kları,, geçiş radyasyon dedektörü,, kurşun un-cam dedektörü kısımlarından oluşmaktad maktadır

18 Parçac acık k Fiziği i Deneyleri HERA-B HERA Kuzey üzerinde kurulu 13 ülkeden, 32 enstitüden 250 araştırmac rmacının n yürütty ttüğü bu deney tamamen B-mezon sisteminde yük-y parite (CP) simetrisinin kırılmask lması konusu üzerine odaklanmış ıştır. Altın n bozunum um The Golden Decay olan B 0 J/ψΚ 0 bozunumundaki asimetrinin ölçümü temel parçac acık k fiziğinin inin Standard Model inin çok hassas bir testidir. Deney bu ölçüm üzerine odaklanmış bir sabit hedef deneyidir. Veri toplamaya 1998/99 deney sezonunda başlam lamış ve çalışmalar devam etmektedir. BELLE (KEK) ve BABAR (SLAC) deneylerinin devreye girmesi ile HERA-B tilsimli (charm) parçac acıkların n incelenmesine yönelmiy nelmiştir.

19 HAmburg SYnhrotron LABoratory HASYLAB HASYLAB, DORIS III ve PETRA halkalarından sinkrotron ışınımı elde edilen ve bunu değişik ik araştırma rma ve uygulamalarda kullanan dünyand nyanın n en büyük b k sinkrotron ışınımı laboratuvarlarındand ndandır. 1 ev 300 kev enerji aralığı ığındaki ndaki sinkrotron ışınımı fiziğin in değişik ik alanlarının n yanısıra, biyoloji, kimya, malzeme bilimi, kristalografi, jeolojik bilimler ve medikal uygulamalar gibi geniş bir spektrum içinde i inde kullanılmakatd lmakatdır. DORIS II ve DORIS III te yıllary lları arasında ma lik elektron demetleri ile ışınım m elde edilirken, 1993 ten sonra ma lik pozitron demeti ile sinkrotron ışınımı elde edilmiştir. hasylab.desy.de

20

21 HASYLAB DORIS III,, 5 paketçikli ve 150 ma lik başlang langıç akımına sahip 4.5 GeV lik pozitron demeti kullanmaktadır. Tipik demet ömrü 22 saat civarındad ndadır. DORIS III ve PETRA dan değişik ik eğici e magnet, salınd ndırıcı (undulatör) ve zigzaglay layıcı (wiggler) magnet aracılı ile elde edilen sinkrotron ışınımı enerji aralığı olarak ev ve parlaklık k olarak ise ise (foton/(saniye-mrad.0.1% band genişli liği) i) aralığı ığına düşmektedir. d

22

23 HASYLAB ta Çalışılan Konular 2-66 ev Zaman çözümlemeli floresans spektroskopisi 5-60 ev Luminesans spektroskopisi Açı çözümlemeli fotoemisyon Radikal spektroskopisi ev X-ışını mikroskopisi Fotoemisyon spektrometresi XUV Floresansı Spin polarize fotoemsiyon Radikallerin iyon ve elektron spektroskopisi Atomik demet deneyleri Saçılma ölçüm deneyleri

24 HASYLAB ta Çalışılan Konular X-Işını Bölgesi X-ışını soğurumu Polimerlerin küçük üçük k açıa salınımlar mları Metallerin küçük üçük k açıa saçılmalar lmaları Protein kristolografisi Küçük k açıa saçılmalar lmaları XAFS spektroskopisi Topografi Laue difraksiyonu Nükleer rezonans sepktroskopisi Malzeme analizi Yüzey fiziği i deneyleri İnelastik saçılma anjiyografisi Spin bağı ğımlı soğurulma deneyleri

25 HASYLAB DORIS III ringinden 1999 yılında y 7 ayrı gruptaki araştırmalar rmalar için i in toplam 5900 saatlik demet sağlam lamıştır. PETRA ringinden ise 1800 saatlik demet sağlanm lanmıştır da Gerçekle ekleştirilen Araştırma rma Projesi Sayısı: ~690 Son yıllarda y HASYLAB ın n kullanıcı sayısı Avrupa Moleküler ler Biyoloji Laboratuvarı (EMBL) ile birlikte yılda 600 den 2000 e e ulaşmış ıştır.

26 HASYLAB - ARI Projesi HASYLAB ta 1.6 GeV lik ve 500 ma lik elektron demeti ile HARWI-wiggler aracılığı ığı ile elde edilen 12.3 kw lık l k foton demeti kullanılarak larak geliştirilen KEDSA (K-Edge Digital Substraction Coronary Angiography) yöntemini y kulanan Koroner Anjiyografi projesi ARI (Electron( Storage RIng For Coronary Angiography) ) geliştirilmi tirilmiştir.

27 European Molecular Biology Laboratory, EMBL Yaklaşı şık k 500 araştırmac rmacının n yılda y ortalama 350 projeyi tamamladığı ığı,, biyolojik numunler üzerinde floresans x-ışıx ışını soğurum spektroskopisinin, protein kristalografisinin, küçük üçük k açıa saçılmalar lmaları yöntemlerinin kullanılmas lması ile çok geniş bir alanda araştırmalar rmaların n yürütüldy ldüğü gelişmi miş bir biyoloji araştırma rma laboratuvarıdır. r. Bu laboratuvar HASYLAB ın n B, K, LW6 ve LW7 demet hatlarını kullanmaktad lanmaktadır.

28 TESLA Projesi TeV Energy Superconducting Linear Accelerator Lineer Elektron-Pozitron (e - e + ) Çarpıştırıcısı Uzunluk : 33 km Işınlık : >10 34 cm -2 s -1 E cm = 500 GeV, E cm = 800 GeV Integrated X-Ray Laboratory => EuroFEL

29

30 TESLA TEST FACILITY (TTF) TESLA Test Facility (TTF( TTF) TESLA hızlandırıcısındanda kullanılacak lacak teknolojiyi test etmek içinin ve özellikle süperiletken RF kavite teknolojisini denemek ve geliştirmek içinin kurulmuş bir lineer hızlandırıcı düzeneğidir. İlk aşamadaamada enerjisi 390 MeV İkinci aşamadaamada ise 1 GeV Amaç TESLA içinin geliştirilen RF Cavity yi yi denemek Hedeflenen SASE FEL Dalgaboylarına erişmek 390 MeV ile FEL dalga boyu : 109 nm (Şubat 2000) 1 GeV ile FEL dalga boyu : 6 nm (2003)

31

32 TTF Parametreleri Elektron Demeti Bir paketçikteki elektron sayısı.. : 6, Elektron demetinin pik gücü... : 2490 GW Paketçik (bunch) uzunluğu... : 50 m Normalize emittans... : 2.0 mm mrad Elektron demetinin enerji yayılımı : 10-3 Elektron demetinin pik akım değeri eri.. : 2490 A Elektron demetinin genlik fonksiyon değeri eri : 3 m Bir atma (puls) içindekiindeki paketçik sayısı : 7200 Bir atma uzunluğu : 800 s Atmaların tekrarlanma sıklığı.. : 10 Hz

33 TTF Parametreleri Salınd ndırıcı Magnet (Undulator( Undulator) Salınd ndırıcı Uzunluğu (L) : 30 m Salınd ndırıcı kutup dalgaboyu... :: 27.3 mm Salınd ndırıcı enine kutup aralığı (g)..: 12 mm Salınd ndırıcı pik magnetik alan değeri eri (B 0 )..: T Serbest Elektron Lazeri: Lazerin Dalgaboyu.: 6 nm Lazerin enerjisi... : 193 ev Bir lazer paketçiğindeki indeki foton sayısı.. : Lazerin doymuş gücü : : 3 GW Ortalama parlaklık.: :

34

35 TESLA

36

37

38 TESLA Niçin in Lineer Hızlandırıcı? Dairesel Hızlandırıcıdada Işınım Yoluyla kaybedilen Enerji: : U 0 =E 4 /ρ Elektronlar içinin E= 250 GeV ve CERN - LEP yarıçap apı (27 km) alınırsa rsa: U 0 =111 GeV (Neredeyse Demet Enerjisinin Yarısı!!)

39 TESLA TDR (Technical Design Report) TESLA Collaboration: 40 Institutes in 10 Countries TDR: 1134 authors from 36 Countries Ankara Univ. (Ö.Yavaş, A.K.Çift iftçi,, O. Çakır) Gazi Univ. (S. Sultansoy,, H. Koru, M. Yılmaz) THERA + PHOTON COLLIDER TESLA nın Maliyeti: 3,877 Milyar Euro + İşletim ~50 MEuro + Bakım~70 Meuro Total: (~120( MEuro/Year)

40 TESLA Parametreleri C. M.. Energy : 0.5 TeV Luminosity : cm -2 s -1 RF Frequency : 1.3 GHz Gradient : 22 MV/m => 35 MV/m AC power : 95 MW, η [%] : 23 Spot size at IP σ x,y : 553 nm, 5 nm Collision Freq. : 14 KHz Bunch Density : 2 10 e - (e + ) δb B [%] : 3 Energy Upgrade : 0.8 TeV

41 TESLA+HERA (THERA) TESLA elektron demeti ile HERA proton demetinin çarpıştırılması ile kurulabilecek elektron-proton çarpıştırıcısı E cm ~1 TeV L~ cm cm -2 s -1 Elektron-Proton Elektron-Çekirdek ekirdek Foton-Proton Foton-Çekirdek Küçük x g ve Yüksek Q 2 bölgesi fizik çalışmaları Spin kriz,, quark-gluon plazma,, excited quarks...

42 Maddenin yapısını araştıran ran deneylerin çözümleme gücünün n zaman ile gelişmesi

43

44 Photon Collider TESLA hızlandırıcısındanndan elde edilen 250 GeV lik elektron ve pozitron demetlerinden Compton geri saçılma yoluyla elde edilecek yaklaşı şık ~200 GeV lik foton demetlerinin kullanılaca lacağı foton-foton çarpıştırıcısı ile temel parçac acık fiziğinin inin bir çok probleminin çalışılması öngörülmektedir. Photon Collider Workshop (June 2000, DESY, NIM A 472, Oct. 2001)

45 TESLA-N TESLA dan elde edilecek elektron ve foton demetlerinin Karbon, Döteryum, Kurşun un, Altın v.b. olmak üzere hafif ve ağır çekirdeklerden saçılmas lması ile maddenin quark-gluon yapısı ve nükleonların spin yapısına ışık tutacak çalışmaları içeren bir araştırma rma projesidir.

46 TESLA X-FELX TESLA dan alınacak 10 ve 25 GeV lik elektron demetinin TESLA tunelinden çıkarılıp uygun salınd ndırıcılardan (undulatör) geçirilerek enerji, akı ve parlaklık olarak dünyadaki en iyi değerlere erlere sahip Serbest Elektron Lazeri (FEL) elde edilmesi planlanmaktadır. Dalgaboyu: Sert X-ışını Bölgesi (~1 Angström) Ortalama Parlaklık: 10 25, Pik Parlaklık:

47

48 X-FEL Parametreleri Demet Enerjisi (GeV)) : 25 Pik akım (ka) : 5 Paketçik uzunluğu (µm)) : 23 Bir atmadaki paketçik sayısı : Atma tekrarlanma frekansı (Hz) : 5 Normalize emittans (π mm mrad) ) : 1 k.o.k. demet yarıçap apı (m) : 18 Beta fonksiyon değeri eri (m) : 15 Enerji yayılımı (MeV) : 3.5 Magnetteki enerji kaybı (MeV)) : 27

49 X-FEL Parametreleri Salınd ndırıcı Kurup dalga boyu (cm) : 5 Pik magnetik alan değeri eri (T) : Salınd ndırıcı parametresi (K) : 4.14 X-FEL Dalgaboyu (Angström)) : 1 Pik güç değeri eri (GW) : 65 Ortalama güç (kw) : 0.8 Pik foton akısı : Ortalama foton akısı : Pik parlaklık : Ortalama parlaklık :

50

51

52 SEL in Kullanım m Alanları Serbest elektron lazerinin temel ve uygulamalı bilimlerde yapılan bilimsel araştırmalar rmalar ve uygulamalar yanında nda, endüstri ve sağlık alanında nda da geniş bir uygulama alanı vardır. Detaylı bilgiler Prof. Dr. Ömer YAVAŞ ın derslerinde verilmiştir.

53 DESY nin geleceği HERA çarpıştırıcısı 2007 yılında y kapatılacakt lacaktır Parçac acık k fiziğinde inde temel araştırmalar rmaların n devamı TESLA nın n DESY de kurulmasına bağlıdır. Uluslararası Komite ILC (International Linear Collider) için i in TESLA teknolojisini seçmi miştir ama kurulacağı yer 2009 yılında y belirlenecektir. PETRA 2008 den itibaren dünyand nyanın n en ileri sinkrotron ışınımı kaynağı olacaktır Light for millenium: DESY de 2012 yılınadek y kurulacak olan TESLA X-FEL X (EuroFEL) dünyand nyanın n en mükemmel m ışınım m kaynağı olacaktır.