Gerät für die Erzeugung intensiver Positronen-Pulse an NEPOMUC

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Hugenschmidt; Professor Dr. Lutz Schweikhard; Professor Dr. Thomas Sunn Pedersen
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326943750

Experimente mit Positronen verwenden bisher kontinuierliche Positronenstrahlen oder gepulste Positronenstrahlen mit niedriger Dichte. In diesem Vorhaben sollen in den letzten Jahren entwickelte Techniken zur effektiven Positronenspeicherung verwendet werden, um große Mengen von Positronen aus dem primären Strahl der NEPOMUC beamline zu akkumulieren und daraus intensive Positronenpulse mit hoher Teilchenzahl zu erzeugen, d.h. eine Quelle für intensive Positronenpulse zu bauen (IPPS für Intense Positron Pulse Source). Die Verfügbarkeit hoher Positronendichten wird völlig neuartige Untersuchungen ermöglichen, zum Beispiel Experimente zur Positronen-Materiewechselwirkung, zur Produktion von Positroniummolekülen und die Erzeugung eines Positron-Elektron-Plasmas. Außerdem kann die Pulsstruktur für zeitaufgelöste Messungen genutzt werden.Für die Positronenspeicherung wird ein System von zylindrischen Teilchen-Fallen aufgebaut, in dem die Positronen entlang der Feldlinien eines supraleitenden Elektromagneten (5 Tesla) und durch zusätzliche axiale elektrostatische Potentiale gespeichert werden ('Penning-Malmberg-Falle'). In der Endausbaustufe ist eine Speicherkapazität von 10^12 Teilchen vorgesehen. Hierzu ist ein System aus mehreren radial um das Zentrum des Magneten angeordneten Penning-Malmberg-Fallen erforderlich. Zum sukzessiven Füllen werden die Positronen in einer vorgeschalteten Master-Zelle quer zu den Magnetfeldlinien transportiert. Weiterhin werden in dem Vorhaben Techniken entwickelt, mit denen der primäre Positronenstrahl von NEPOMUC effizient in das starke Magnetfeld des Positronenspeichers injiziert werden kann. Hierzu können die Positronen außerhalb des Speicher-Magneten durch Gasstöße abgebremst und dann im stark abgekühlten Zustand paketweise in ein stärkeres Magnetfeld beschleunigt werden. Alternativ dazu können schnelle Positronen im Magneten selbst durch einen metallischen Remoderator gekühlt und anschließend eingefangen werden. Im Vorhaben sollen zunächst beide Techniken untersucht werden, um dann die geeignetere von beiden zu realisieren.Anwendungen für die erzeugten, extrem kurzen und intensiven Positronenpulse finden sich insbesondere in der Untersuchung der Positronen-Materiewechselwirkung. Das Vorhaben ist die apparative Grundlage für zukünftige Untersuchungen von freien, geladenen und in Fallen gespeicherten Nanoteilchen mit Positronen. Ein weiteres Ziel ist die Herstellung des ersten kalten, magnetisch eingeschlossenen Paar-Plasmas aus Elektronen und Positronen. Dieses für die fundamentale Plasmaphysik und die Astrophysik gleichermaßen relevante Projekt ist als erste Anwendung für das entwickelte Gerät vorgesehen. Weitere Anwendungen bestehen in der Physik der kondensierten Materie: Erstmals überhaupt werden sich Festkörper untersuchen lassen, worin die Positronen nicht nur den Grundzustand, sondern aufgrund der hohen Dichte auch höhere Zustände besetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Eve V. Stenson, Ph.D.