Pilotstudie einer kristallbasierten Extraktion für 6-GeV-Elektronen bei DESY

• Antragsteller: Dr. Sergii Fomin
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531314364

Hauptziel des Projekts ist eine Pilotstudie zur Realisierung einer Kristall-basierten Strahlextraktion, die eine Fortführung der gut etablierten DESY Test Beam Facility am neuen DESY IV Booster-Synchrotron ermöglichen soll. Hierzu wird der Channeling-Effekt ausgenutzt, bei dem sich einfallende Teilchen in geringem Winkel zu den Achsen bzw. Ebenen eines Kristallgitters bewegen und durch den Festköper geleitet werden. Das Verfahren wurde erfolgreich zur Ablenkung hochenergetischer Protonenstrahlen an gebogenen Kristallen bei mehreren Beschleunigern eingesetzt, aufgrund der verkleinerten Akzeptanz ist die Methode bei Elektronen aber weniger effektiv. Wesentliche Neuerung im Rahmen dieses Projektes ist, statt des üblicherweise eingesetzten planaren Channelings die stochastischen Streuung schneller geladener Teilchen an einem Atomstring zu verwenden (sog. Grinenko-Shul’ga-Mechanismus), was die Ablenk-Effizienz für Elektronen wesentlich verbessert und von einem der Autoren des Projektes vorgeschlagen wurde. Vorläufige theoretische Studien am NSC KIPT deuten darauf hin, dass der Mechanismus für positiv und negativ geladene Teilchen gleichermaßen effektiv ist, zudem bestätigen kürzlich durchgeführte Experimente seine Existenz und hohe Effizienz. Eine der Zielsetzungen dieses Projektes ist daher ein Effizienz-Vergleich für Elektronenstrahlablenkung beider Mechanismen für die DESY-Parameter. Beim Durchgang relativistischer Elektronen durch Materie wird Bremsstrahlung emittiert. Passieren Elektronen einen Kristall, treten einerseits Kohärenz- und Interferenzeffekte, andererseits Strahlungs-Unterdrückung auf (z.B. Landau-Pomeranchuk- und Ternovsky-Shul’ga-Fomin-Effekt). Die Untersuchung dieser Effekte sowie deren Einfluss auf die Elektronenstrahldynamik ist ein wichtiger Aspekt dieses Projektes, der für eine effiziente Strahlextraktion von praktischer Bedeutung ist, zugleich aber auch von fundamentalem Interesse für die Physik der Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie. Neben der Parameter-Optimierung für die Extraktionseffizienz umfasst das Projekt zudem Entwicklung und Erprobung einer neuen experimentellen Methode zur Bestimmung der sog. Dechanneling-Länge. Dieser Parameter charakterisiert die Dynamik eines Elektronenstrahls in einem Kristall und ist somit von fundamentaler Bedeutung. Die neuartige Idee basiert auf der Messung von Ionisationsverlusten beim Durchgang von Elektronen in verschiedenen Bewegungsmodi im Kristall. Wesentliche Stärke des vorliegenden Projekts ist die Zusammenführung der Kompetenzen beider beteiligten Forschungsgruppen: einerseits die langjährige Erfahrung des KIPT-Teams bei der theoretischen Beschreibung der Wechselwirkung geladener Teilchen in Kristallen, andererseits die umfangreiche Erfahrung bei der Durchführung experimenteller Studien an Beschleunigern bei DESY. Die Kombination dieser Kernkompetenzen gibt Vertrauen in die erfolgreiche Umsetzung des Projekts und seines Erfolgs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ukraine
• ausländischer Mitantragsteller: Dr. Igor Kyryllin