Wie sieht es innerhalb des Protons aus? Mit dieser Frage beschäftigen sich die DESY-Forscher schon lange. Fünfzehn Jahre lang bot der HERA-Beschleuniger den weltweit schärfsten Blick ins Proton. Nach der Abschaltung von HERA widmet sich das neue Experiment OLYMPUS am DORIS-Beschleuniger dem Innenleben des Protons.

Einblick ins Proton

OLYMPUS ist ein vergleichsweise kleines Experiment. 50 Tonnen bringt der komplette Detektor auf die Waage – er ist damit ein Leichtgewicht im Vergleich zum HERA-Experiment ZEUS zum Beispiel, das 3600 Tonnen wog. Dies liegt neben der Größe vor allem daran, dass der Detektor nicht über ein Eisenjoch verfügt. Auch ist nicht der komplette Raum um den Wechselwirkungspunkt der Teilchen mit Elektronik bestückt, wie es bei den großen HERA-Detektoren der Fall war.

Mit den HERA-Experimenten bestimmten die Forscher durch jahrelange Messungen von inelastischen Elektron-Proton-Kollisionen die Struktur des Protons aufs Genaueste. OLYMPUS soll mit Hilfe so genannter elastischer Streuung – Kollisionen, bei denen die Protonen nicht zerstört werden – zusätzliche Informationen über die elektrische und magnetische Ladungsverteilung im Proton liefern.

Einzigartige Bedingungen bei DESY

Mitte 2010 begann der Aufbau von OLYMPUS in der DORIS-Halle. Der Detektor selbst ist nicht neu, sondern besteht zum größten Teil aus dem BLAST-Detektor, der am BATES-Beschleuniger des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA von 2002 bis 2005 im Einsatz war. Der Grund für den Umzug des Detektors sind die einzigartigen Bedingungen, die die DESY-Beschleuniger bieten. Als nahezu einzige Anlagen weltweit können die Vorbeschleuniger sowohl mit Elektronen als auch mit Positronen betrieben werden. Hinzu kommt, dass das Umschalten zwischen beiden Teilchenarten innerhalb von zehn Minuten möglich ist.

Die OLYMPUS-Forscher brauchen für ihre Messung sowohl Elektronen als auch Positronen. Die Teilchen werden auf ein Ziel („Target“) aus Wasserstoff geschossen, das sich im Inneren des Detektors befindet. Am MIT konnte das Experiment nur mit Elektronen betrieben werden. Doch nur mit beiden Teilchenarten lassen sich Hinweise auf bisher unentdeckte Beiträge höherer Ordnung finden. Ein regelmäßiges Umschalten zwischen beiden Teilchenarten bewirkt zudem, dass die Untersuchungen präziser werden.

OLYMPUS am DORIS-Beschleuniger

Allerdings müssen auch am DORIS-Beschleuniger einige kleinere Umbauarbeiten durchgeführt werden, damit dort sowohl Elektronen als auch Positronen beschleunigt werden können und schnell zwischen ihnen hin- und hergeschaltet werden kann. Denn DORIS dient seit 1993 der Erzeugung von Synchrotronstrahlung und hat zu diesem Zweck Positronen beschleunigt. Alle Arbeiten für und mit OLYMPUS – also die Arbeiten an DORIS und der Experimentierbetrieb – finden nur statt, wenn DORIS gerade keine Strahlen für die Synchrotronstrahlungsnutzer liefert.

Da eine Nutzung von DORIS für OLYMPUS weder gleichzeitig mit dem Betrieb von DORIS als Strahlungsquelle noch mit dem Betrieb von PETRA III möglich ist, wird OLYMPUS nur Daten nehmen, wenn beide Beschleuniger nicht im Nutzerbetrieb laufen. Die erste etwa einmonatige Messreihe startet Anfang 2012, die zweite folgt Ende desselben Jahres.