Nach jahrelanger Aufbauarbeit können Wissenschaftler das über 100 Tonnen schwere Magnetspektrometer nun in Mainz nutzen.
Das Magnetspektrometer KAOS, ein Instrument zur Untersuchung von Kernreaktionen mit „seltsamen“ Teilchen, ist vor wenigen Tagen am Mainzer Elektronenbeschleuniger MAMI in Betrieb genommen worden. Das Instrument war bereits an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) bei Darmstadt erfolgreich auf der Jagd nach den sowohl seltenen als auch „seltsamen“ Elementarteilchen, die man Kaonen nennt. Nach jahrelanger Aufbauarbeit können Wissenschaftler am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität dieses Schwergewicht nun auch in Mainz nutzen.
Ab der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts entdeckte man viele neue Elementarteilchen, die meist nur kurz leben und deren Zerfall in Kernbausteine wie Protonen in Teilchendetektoren nachgewiesen wurde. Allerdings wiesen einige eine überraschend lange Lebensdauer auf, und man sprach von diesen als „seltsamen“ Teilchen. Deren Untersuchung wurde mit immer weiter entwickelten Instrumenten an vielen Forschungslaboren und Beschleunigerzentren durchgeführt und bleibt bis heute aktuell. Im Frühjahr 2003 konnte das von Dr. Peter Senger und Prof. Dr. Eckart Grosse zehn Jahre zuvor aufgebaute Magnetspektrometer nach Mainz gebracht werden. Ermöglicht wurde dieser Wechsel des Einsatzortes durch die Partnerschaft der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Josef Pochodzalla mit Gruppen der GSI, der TU Darmstadt, den Universitäten in Frankfurt, Marburg und dem Forschungszentrum Rossendorf.
Der Transport des über 100 Tonnen schweren Dipolmagneten erfolgte in Einzelteilen auf Tiefladern und bescherte dem Institut für Kernphysik zunächst eine Halle voller zerlegter Bauteile und wertvoller Einzelgeräte. Der Umzug kam zu einem Zeitpunkt, an dem in Mainz mit Hochdruck an der Fertigstellung der vierten Stufe des Elektronenbeschleunigers MAMI gearbeitet wurde, die erstmals die zur Erzeugung von Kaonen notwendige Strahlenergie erreichte. Der Aufbau von KAOS in der Spektrometerhalle konnte nach Inbetriebnahme von MAMI-C Ende 2006 forciert werden und machte im Laufe des Jahres 2007 enorme Fortschritte. Die Kosten dieser Installation betrugen mehrere hunderttausend Euro, wovon ein bedeutender Anteil in die Konstruktion einer flexiblen und präzise positionierbaren Trägerplattform floss. Diese lässt das gesamte Spektrometer reibungsarm auf Teflonplatten 12 Meter zwischen Parkposition und Messposition gleiten und erlaubt ein besser als millimetergenaues Anfahren des Streuzentrums, des sogenannten Targets.
Die Arbeit an dem Spektrometer erfolgt im Rahmen der Kollaboration A1, in der eine Gruppe von Physikern, Ingenieuren und Technikern den Betrieb aller Magnetspektrometer an MAMI gewährleistet. Die Besonderheit der Anlage in Mainz ist dabei, dass mehrere Spektrometer gemeinsam die Kernreaktionen beobachten können, wobei das KAOS sich besonders für den Nachweis der kurzlebigen Kaonen eignet, während ein komplementäres Spektrometer das Streuteilchen registriert. Für das KAOS-Spektrometer musste neben der Bereitstellung von mehr als einem halben Megawatt an elektrischer Leistung und mehr als 200 Litern pro Minute Kühlwasserfluss auch ein neuer Transformatorenraum eingerichtet werden. Diese Arbeiten erfolgten in enger Zusammenarbeit durch die Werkstätten des Instituts und die Baubehörden der Universität und des Landes Rheinland-Pfalz.
Im Bild rechts ist das kompakte KAOS-Spektrometer (violett) im Kreis der vertikal errichteten Spektrometer (blau, grün und rot) zu sehen. Ein kompakter Aufbau in Nähe der Streukammer im Zentrum des Kreises ist wichtig, damit Kaonen, die nur eine hundertmillionstel Sekunde lang leben, nicht bereits auf dem Weg zu den Detektoren zerfallen. Zum Zeitpunkt der Aufnahme war das Abschirmhaus für Wartungsarbeiten rückseitig geöffnet, so dass ein Blick auf die Trägerplattform (rot) möglich wurde, die Teilchendetektoren und Elektronikschränke stützt. Über den Kabelträger (grün) laufen die Versorgungskabel. Das KAOS-Spektrometer ist damit als einziges in der Lage, Teilchenimpulse bis zur Endenergie der neuen Beschleunigerstufe nachzuweisen.
Im vergangenen März wurden erstmals Messdaten mit dem KAOS-Spektrometer zur Kontrolle und Kalibrierung der Tausende von elektronischen Auslesekanälen genommen. In der Folgezeit konnten vielfältige Verbesserungen im experimentellen Aufbau, der Datenaufnahme und der Datenanalyse erarbeitet werden. Die ersten Kaonen wurden dann in einer etwa fünftägigen Messperiode im Oktober 2008 nachgewiesen. Das untere Bild rechts zeigt die aus den gewonnenen Daten rekonstruierte Masse des verbleibenden Rückstoßteilchens, nachdem Elektronen an flüssigem Wasserstoff gestreut und Kaonen im KAOS-Spektrometer nachgewiesen wurden. Das Signal bei der Masse des Lambda-Teilchens demonstriert die paarweise erfolgte Erzeugung der „Seltsamkeit“, da Lambda-Teilchen als „seltsame“ Partner der Kaonen in dieser Reaktion auftreten. In weiteren Reaktionen wurde das Sigma-Teilchen nachgewiesen, ein vergleichbares Hyperon mit etwas schwererer Masse als das Lambda-Teilchen.
Die Messungen aus dem Oktober sind nur ein erster Schritt in Richtung eines besseren Verständnisses der Produktionswahrscheinlichkeiten von Kaonen. In Mainz wird bereits an einer Erweiterung gearbeitet, mit der die noch selteneren „seltsamen“ Atomkerne, sogenannte Hyperkerne, spektroskopiert werden können. Über den Nachweis der Kaonen im KAOS-Spektrometer wird dann nicht das freie Lambda-Teilchen, sondern ein Hyperkern identifiziert, der Aufschluss über die Hyperon-Nukleon-Wechselwirkung bringt. Es wird erwartet, dass diese Messungen neue Einblicke in die Struktur der Materie ermöglichen werden, die von der Skala der Kerne bis zu Neutronensternen reichen.