DESY (, Німецький електронний синхротрон) — науковий центр у німецьких містах Гамбурзі та Цойтені, який займається дослідженнями в галузі фізики елементарних частинок та фізики астрочастинок за допомогою прискорювача електронів і за допомогою фотонів. Дослідницький центр фінансується з державних коштів і є частиною Товариства імені Гельмгольца.
Задачі DESY є одним із найбільших у світі центрів досліджень за допомогою прискорювачів частинок. На головному майданчику DESY в Гамбурзі дослідження сконцентровані на наступних трьох напрямах:
Розробка, будівництво та експлуатація прискорювачів частинок Дослідження з фотонами: синхротронне випромінювання та випромінювання від лазерів на вільних електронах для задач фізики, хімії, біології, геології та медицини Дослідження фундаментальних властивостей матерії та сил у контексті фізики елементарних частинок
На іншому майданчику DESY, в Цойтені, розвивається ще один напрям досліджень:
Астрофізика елементарних частинок, застосування методів фізики елементарних частинок у контексті астрофізики
Також DESY створює прискорювачі, які використовують німецькі й закордонні наукові та промислові установи.
Розташування DESY розташований на двох майданчиках. Головний майданчик знаходиться в Гамбурзі-Баренфельді біля . В 1992 році у DESY з'явився другий майданчик в Цойтені, на південний схід від Берліна (до 1991 року «Інститут фізики високих енергій» Академії наук НДР)Erich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 255. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021..
Фінансування Дослідницький центр фінансується державним коштом. 90 % основного фінансування надходить від Федерального міністерства освіти та наукиBundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF): Bundeshaushaltsplan 2021 — Einzelplan 30 . In: www.bundeshaushalt.de, abgerufen am 14. April 2022., а 10 % від міста ГамбургFreie und Hansestadt Hamburg: Haushaltsplan 2019/2020. In: www.hamburg.de, abgerufen am 14. April 2022. і землі БранденбургLand Brandenburg: Haushaltsplan 2019/2020 — Band VI. In: mdfe.brandenburg.de, abgerufen am 14. April 2022.. У 2020 році річний бюджет DESY становив близько 232 мільйонів євро. Крім того, додаткові 18 мільйонів євро надходили від фінансування третіх сторін.
Співробітники У DESY працює близько 3000 співробітників з понад 60 країн, близько 2700 з них у Гамбурзі і близько 300 у Цойтені. Ці числа охоплюють понад 130 здобувачів освіти з різних комерційних і технічних професій, а також близько 500 аспірантів і постдоків. Є також багато студентів-магістрів з різних університетівDESY im Überblick. In: www.desy.de, abgerufen am 21. März 2023..
Освітня діяльність
DESY бере участь у кількох аспірантських школах, організовує щорічну міжнародну літню студентську програму та проводить експериментальні дні з різних розділів фізики у своїх лабораторіях у Гамбурзі та Цойтені. Також проходять курси підвищення кваліфікації для вчителів, заходи для шкіл та учнів зі STEM, публічні лекції та дні відкритих дверей. DESY бере участь у таких заходах, як Гамбурзька ніч знань і Берлінська .
Історія
Дослідницький центр «Німецький електронний синхротрон DESY» () був заснований у Гамбурзі 18 грудня 1959 року згідно з державною угодою, підписаною тодішнім федеральним міністром ядерної енергії та водного господарства та мером Гамбурга Erich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 5. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021.. Згідно зі статутом, завданням DESY є «сприяння фундаментальним науковим дослідженням […], зокрема шляхом розробки, будівництва та експлуатації прискорювачів та їх наукового використання, дослідження з фотонами та дослідженням в галузі фізики елементарних частинок й астрочастинок»DESY: Satzung der Stiftung Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. (PDF; 40 KB) In: www.desy.de. 8. Dezember 2021, abgerufen am 28. Februar 2022.
Фізика елементарних частинок
З 1959 по 2007 рік прискорювачі DESY використовували в основному для фізики елементарних частинок, спочатку з однойменним електронним синхротроном (працює з 1964 і дотепер), а потім з накопичувачами DORIS (Doppel-Ring-Speicher, подвійний кільцевий накопичувач, 1974—2013Erich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 325. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021.), PETRA (Positron-Electron Tandem Ring Facility, позитронно-електронний тандемний кільцевий пристрій, 1978–дотепер) і HERA (1992—2007).
DESY вперше привернув міжнародну увагу в 1966 році, експериментально перевіривши теоретичні передбачення квантової електродинаміки. У 1975 році DORIS зробив важливий внесок у виявлення важких кварків, спостерігаючи збуджені стани чармонію. У 1987 році в детекторі ARGUS в DORIS вперше помітили трансформацію В-мезона в його античастинку, анти-В-мезон, — процес, в якому матерія й антиматерія поводяться по-різному. Найважливішим відкриттям експериментів TASSO, JADE, MARK-J і PLUTO в PETRA стало виявлення в 1979 році глюона, частинки-носія сильної взаємодії. Починаючи з 1990 року PETRA служила попереднім прискорювачем для ще більшого накопичувального кільця HERA.
HERA з чотирма експериментами H1, ZEUS, HERMES і HERA-B була єдиним накопичувачем у світі, в якому протони стикалися з електронами або позитронами. Точковий електрон діяв як зонд, який сканує внутрішню структуру протона та робить її видимою з високою роздільною здатністю. Визначена HERA внутрішня структура протона лягла в основу багатьох інших експериментів з фізики елементарних частинок, зокрема на Великому адронному колайдері в CERN, а також для численних розробок у теоретичній фізиці елементарних частинокErich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021.. Прискорювач HERA також став першим великомасштабним проєктом з фізики елементарних частинок, який фінансувався міжнародним співтовариством. Раніше будівництво прискорювачів завжди фінансувалося тією країною, на території якої будувався прилад, але інтерес до HERA був таким великим, що до будівництва залучились дванадцять країн і понад 45 організацій, і близько 22 % з приблизно 700 мільйонів євро загальної вартості будівництва HERA були надані іноземними установами. Зараз ця модель стала стандартною, і в наступні роки інші країни спільно виконали багато масштабних наукових проєктів.
Дослідження за допомогою фотонів
У той же час дослідницькі групи з DESY, різних університетів і Товариства Макса Планка з 1960-х років досліджують на DESY синхротронне випромінювання, створюване прискорюваними частинками. Щоб задовольнити швидко зростаючий національний та європейський попит на такі дослідження, DESY заснувала власну спеціалізовану лабораторію HASYLAB (Hamburger Synchrotronstrahlungslabor, Гамбурзька лабораторія синхротронного випромінювання), яка відкрилася в 1980 році. З 1995 року експерименти з синхротронним випромінюванням також проводилися паралельно з експериментами з фізики елементарних частинок на PETRA, а в 2005 році був доданий лазер на вільних електронах FLASH. Експеримент PETRA був модернізований у 2009 році для використання як джерело синхротронного випромінювання в жорсткому рентгенівському діапазоні (PETRA III)PETRA III. In: www.desy.de, abgerufen am 28. Februar 2022 (englisch).Erich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 320. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021., яке тепер постачає понад 40 експериментальних станцій. Планується розширення цього експерименту до тривимірного рентгенівського мікроскопа PETRA IVChristian Schroer et al.: PETRA IV: the ultralow-emittance source project at DESY. In: J. Synchrotron Radiat. 25 (5), 1277—1290. September 2019, abgerufen am 6. Oktober 2021 (englisch). doi:10.1107/S1600577518008858..
Історичні приклади застосування синхротронного випромінювання в DESY включають:
Перші випробування рентгенівської літографії відбулися в DESY в 1975 році. У 1984 році в HASYLAB був записаний перший спектр Мессбауера, отриманий за допомогою синхротронного випромінювання. У 1985 році подальший розвиток рентгенівської технології дозволив визначити детальну структуру вірусу застуди. У 1986 році вперше вдалося використати синхротронне випромінювання для збудження окремих коливань кристалічної ґратки (фононів) у твердих тілах. Непружне розсіювання рентгенівських променів дозволило досліджувати властивості матеріалів, які раніше можна було визначати лише шляхом розсіювання нейтронів у ядерних реакторах. Компанія Osram тимчасово використовувала системи HASYLAB для перевірки ниток розжарення своїх ламп за допомогою синхротронного випромінювання. Отримана інформація про деградацію нитки сприяла створенню більш довговічних ламп. З 1986 по 2004 рік ізраїльська біохімікиня Ада Йонат (Нобелівська лауреатка з хімії 2009 року) проводила експерименти в DORIS, щоб розшифрувати структуру рибосомиErich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 247. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021..
Надпровідні лазери на вільних електронах
На початку 1990-х DESY розпочала розвиток технології високочастотного прискорювача на основі надпровідних резонаторів із ніобію, охолоджених до температури 2 K. Перший такий прискорювач був випробувальною установкою для надпровідних лінійних прискорювачів проєкту TESLA в DESY, де також був випробуваний принцип рентгенівського лазерного світлаErich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 250. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021.. Теорія цього явища була розроблена та далі розвивалася, починаючи з 1980 року в DESY та в інститутах Росії, Італії та СШАA.M. Kondratenko and E.L. Saldin: Generation of Coherent Radiation by a Relativistic Electron Beam in an Ondulator. In: Part. Accelerators 10, 207—216 (1980), abgerufen am 28. Februar 2022 (englisch).. У 2000—2001 роках випробувальна установка DESY стала першим у світі лазером на вільних електронах, який генерував спалахи світла в ультрафіолетовому та м'якому рентгенівському діапазонахErich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009. S. 251. Online-Ausgabe 2013 (PDF; 55 MB). In: www.desy.de, abgerufen am 1. Oktober 2021.. Тепер установка FLASH виробляє ультракороткі світлові імпульси в м'якому рентгенівському діапазоні для семи експериментальних станційFLASH. In: www.desy.de, abgerufen am 1. März 2022 (englisch).. 2020 року вона була розширена з метою подальшої оптимізації властивостей випромінювання (проєкт FLASH2020+) Ralf Röhlsberger et al.: Light Source Upgrades at DESY: PETRA IV and FLASH2020+. In: Synchrotron Radiat. News 32 (1), 27–31 (2019), abgerufen am 29. Juli 2022 (englisch)..
Європейський рентгенівський лазер на вільних електронах