DESY , abreviatura de Deutsches Elektronen-Synchrotron (en alemán: Sincrotrón de electrones ), es un centro nacional de investigación de ciencias fundamentales ubicado en Hamburgo y Zeuthen , cerca de Berlín, en Alemania . Opera aceleradores de partículas utilizados para investigar la estructura, dinámica y función de la materia , y lleva a cabo un amplio espectro de investigación científica interdisciplinaria en cuatro áreas principales: física de partículas y de alta energía ; ciencia de fotones ; física de astropartículas ; y el desarrollo, construcción y operación de aceleradores de partículas. Su nombre hace referencia a su primer proyecto, un sincrotrón de electrones . DESY está financiado públicamente por la República Federal de Alemania y los estados federales de Hamburgo y Brandeburgo y es miembro de la Asociación Helmholtz .
La función de DESY es realizar investigaciones fundamentales con fines exclusivamente civiles y pacíficos. Se especializa en el desarrollo, la construcción y el funcionamiento de aceleradores de partículas , la física de partículas , la física de astropartículas y la investigación en ciencia fotónica para explorar las relaciones fundamentales entre la estructura, la dinámica y la función de la materia. En cooperación con sus organizaciones asociadas, su investigación en ciencia fotónica abarca la física de superficies, la ciencia de los materiales , la química , la biología molecular , la geofísica y la medicina mediante el uso de radiación de sincrotrón y láseres de electrones libres . [1] [2]
Además de operar sus propias instalaciones de gran acelerador, DESY participa en muchos proyectos internacionales de investigación importantes, por ejemplo, el Láser de Electrones Libres de Rayos X Europeo en Alemania, el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza, el experimento Belle II en Japón, el Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur y el Conjunto de Telescopios Cherenkov de alcance mundial . [3]
DESY opera en dos ubicaciones. La ubicación principal está en el barrio Bahrenfeld de Hamburgo . En 1992, DESY se expandió a una segunda ubicación en Zeuthen , cerca de Berlín .
La sede de DESY en Hamburgo está situada en el barrio Bahrenfeld , al oeste de la ciudad, en el distrito de Altona . Sus principales aceleradores se encuentran aquí.
Tras la reunificación alemana , el DESY se expandió a una segunda sede en Zeuthen , cerca de Berlín. En 1939, el Ministerio de Correos alemán fundó allí un laboratorio de física nuclear. Después de la Segunda Guerra Mundial, el laboratorio se denominó primero «Instituto X», para luego convertirse en el Instituto de Física de Altas Energías ( ‹Ver Tfd› en alemán : Institut für Hochenergiephysik IfH ), el laboratorio de física de altas energías de la República Democrática Alemana perteneciente a la Academia de Ciencias de la RDA . El instituto se fusionó con el DESY el 1 de enero de 1992. Se centra en la computación paralela para la física teórica de partículas, el desarrollo y la construcción de fuentes de electrones para láseres de rayos X, así como en la física de astropartículas con un enfoque en la astronomía de rayos gamma y neutrinos . [4]
El DESY cuenta con unos 3.000 empleados procedentes de más de 60 países. La mayoría de ellos trabajan en la sede de Hamburgo y unos 270 en la de Zeuthen. Entre ellos hay más de 130 aprendices de diversas profesiones técnico-industriales y unos 500 estudiantes de doctorado y posdoctorados supervisados por el DESY. Además, hay numerosos estudiantes de máster de diversas universidades. [5]
El centro de investigación es una fundación de derecho civil financiada con fondos públicos. En 2020, DESY contaba con un presupuesto anual de unos 232 millones de euros (según el plan presupuestario federal alemán, sin contar los gastos de inversión y los gastos de financiación especiales). Además, contaba con unos ingresos de financiación de terceros de unos 18 millones de euros. El 90% del presupuesto anual lo aporta el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán ( ‹Ver Tfd› Alemán : Bundesministerium für Bildung und Forschung ) [6] y el 10%, respectivamente, la Ciudad Libre y Hanseática de Hamburgo [7] y el estado federado alemán de Brandeburgo [8] .
Los aceleradores de DESY no se construyeron todos a la vez, sino que se fueron añadiendo uno a uno para satisfacer la creciente demanda de los científicos de energías cada vez más altas para comprender mejor las estructuras de las partículas. Durante la construcción de nuevos aceleradores, los más antiguos se transformaron en preaceleradores o en fuentes de radiación de sincrotrón para laboratorios con nuevas tareas de investigación.
El sincrotrón DESY (abreviatura de "Deutsches Elektronen-Synchrotron") está en funcionamiento desde 1964. Su circunferencia es de 300 m. Se utilizó hasta 1978 para experimentos de física de partículas y para las primeras mediciones con radiación de sincrotrón. Desde entonces, ha sido reconstruido y modernizado varias veces y ha servido como preacelerador y como instalación de rayos de prueba que suministra haces de partículas de alta energía para probar sistemas de detectores. [9]
El anillo de almacenamiento DORIS (abreviatura de Double Ring Storage Facility) estuvo en funcionamiento entre 1974 y 2013. Tenía una circunferencia de 289 m. Hasta 1992, en él se hicieron colisionar electrones con positrones para experimentos de física de partículas (incluido el experimento ARGUS ). A partir de 1980, la radiación de sincrotrón generada por DORIS se utilizó para experimentos de ciencia de fotones; de 1993 a 2012, el anillo de almacenamiento sirvió exclusivamente como fuente de radiación de sincrotrón . A continuación, en 2012, se puso en funcionamiento el experimento de física de partículas OLYMPUS, antes de que DORIS se cerrara a principios de 2013.
El anillo de almacenamiento PETRA (abreviatura de Positron–Electron Tandem Ring Accelerator) está en funcionamiento desde 1978. Tiene una circunferencia de 2.304 m. Hasta 1986, en PETRA se produjeron colisiones de electrones y positrones para la investigación en física de partículas (experimentos JADE , MARK-J, TASSO y PLUTO ). A partir de 1990, PETRA sirvió como preacelerador para el anillo de almacenamiento HERA y, a partir de 1995, también como fuente de radiación de sincrotrón con dos estaciones experimentales de prueba. Desde 2009, la instalación ha estado suministrando haces de rayos X duros de muy alta brillantez a más de 40 estaciones experimentales bajo el nombre de PETRA III . [10]
El anillo de almacenamiento HERA (abreviatura de Hadron–Electron Ring Accelerator) estuvo en funcionamiento entre 1992 y 2007. Tiene una circunferencia de 6.336 m. Fue el mayor acelerador de anillo de DESY y el mayor instrumento de investigación de Alemania hasta la fecha. Hasta 2007, HERA fue la única instalación de anillo de almacenamiento en el mundo que permitía colisiones de electrones o positrones con protones para la física de partículas (experimentos H1 , ZEUS , HERMES y HERA-B ) para estudios de la estructura interna del protón.
El láser de electrones libres (FEL) FLASH (abreviatura de Free-Electron Laser in Hamburg) está en funcionamiento desde el año 2000. Tiene una longitud de 315 m. Se basa en una instalación de pruebas para tecnología de aceleradores superconductores construida en 1997 para el proyecto TESLA y ha servido como instalación de usuario para experimentos con la radiación FEL generada desde 2005. FLASH proporciona pulsos de luz ultracortos en el rango ultravioleta extremo y rayos X suaves para siete estaciones experimentales y también se utiliza como instalación de pruebas para el desarrollo de tecnologías de aceleradores y FEL. [11]
DESY opera el acelerador lineal superconductor de 1,7 km del láser de electrones libres de rayos X europeo XFEL, una instalación de investigación internacional que emite pulsos de luz ultracortos en el rango de rayos X de alta energía. [12]
Desde 2001, el sitio DESY en Zeuthen ha albergado la instalación de prueba del fotoinyector PITZ, un acelerador lineal utilizado para estudiar, optimizar y preparar las fuentes de electrones para FLASH y (desde 2015) para el XFEL europeo. [13]
El edificio del antiguo anillo de almacenamiento DORIS ahora alberga el complejo de aceleradores SINBAD ("Short Innovative Bunches and Accelerators at DESY") [14] con varias infraestructuras para la I+D de aceleradores: el acelerador lineal ARES para la investigación de aceleradores con pulsos de electrones ultracortos para fines médicos, la instalación AXSIS para la aceleración impulsada por terahercios para generar pulsos de rayos X ultracortos para la ciencia de los materiales o la obtención de imágenes médicas, y el láser de alta potencia KALDERA para la investigación de la aceleración de plasma impulsada por láser .
El túnel del antiguo anillo de almacenamiento HERA ahora alberga el experimento ALPS II, que utiliza imanes dipolares superconductores convertidos del anillo de protones HERA para estudiar partículas extremadamente ligeras. [15]
DESY ofrece una amplia capacidad de almacenamiento y computación para la investigación en todas sus divisiones. Como parte de la Red de Computación Mundial del LHC (WLCG), DESY también opera un centro de computación de nivel 2 que ofrece sistemas de computación y almacenamiento para los experimentos ATLAS , CMS y LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Además, la infraestructura de la red de DESY es utilizada por otros experimentos como Belle II o IceCube . [16]
La investigación en DESY está organizada en cuatro divisiones: Aceleradores, Ciencia de Fotones, Física de Partículas y Física de Astropartículas.
La división de aceleradores desarrolla tecnologías fundamentales para las instalaciones de aceleración que DESY y sus socios utilizan en su misión científica. Además de la operación y el desarrollo de las instalaciones existentes (proyectos PETRA IV y FLASH2020+, expansión del XFEL europeo), las actividades esenciales incluyen la investigación de nuevos conceptos de aceleradores, en particular la aceleración de campos de estela de plasma , y la mejora de la tecnología de aceleradores de radiofrecuencia superconductores . [17] [18]
En la división Photon Science, los fotones se utilizan para estudiar la estructura, la dinámica y la función de la materia. Con este fin, la división desarrolla, construye y opera líneas de luz y experimentos en las fuentes de luz PETRA III y FLASH de DESY . Cada año, más de 3.000 investigadores, la mayoría de ellos de universidades, pero también de instituciones de investigación no universitarias y de la industria, de más de 40 países realizan experimentos en las fuentes de luz y en los laboratorios de DESY. [19] El espectro de investigación abarca desde la investigación básica hasta la investigación aplicada y las colaboraciones industriales en física , química , biología , medicina , ciencias de la vida , ciencias de la tierra , investigación de materiales y estudio del patrimonio cultural . [20]
La división de Física de Partículas participa en los experimentos a gran escala del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN , cerca de Ginebra. Como parte de las colaboraciones internacionales que llevan a cabo los experimentos ATLAS y CMS , DESY contribuye a muchos desarrollos en el LHC, desde el diseño de hardware y el análisis de datos hasta los preparativos para las actualizaciones planificadas. DESY también participa en el experimento Belle II en el colisionador electrón-positrón SuperKEKB en el centro de investigación KEK en Tsukuba , Japón, así como en desarrollos para posibles futuros colisionadores lineales electrón-positrón. También está activo en física de partículas teórica. [21] [22]
La división de Física de Astropartículas investiga los procesos de alta energía en el universo. Utiliza detectores y telescopios para analizar los neutrinos y los rayos gamma del espacio, que pueden proporcionar información sobre fenómenos cósmicos: agujeros negros , estrellas en explosión y explosiones de radiación de extrema intensidad. Para ello, DESY participa en los telescopios gamma MAGIC , HESS y VERITAS , así como en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi , y contribuye al proyecto Cherenkov Telescope Array (CTA). Es el segundo socio más importante del observatorio IceCube en el Polo Sur. [23] [24]
DESY fue fundada el 18 de diciembre de 1959 en Hamburgo. [25] Según sus estatutos, la misión de DESY es "la promoción de la investigación científica básica [...] en particular mediante el desarrollo, la construcción y el funcionamiento de aceleradores y su uso científico, en la ciencia de los fotones y en los campos de la física de partículas y astropartículas, así como mediante trabajos de investigación y desarrollo relacionados con ello". [26]
De 1959 a 2007, los aceleradores DESY se utilizaron principalmente para la física de partículas , inicialmente con el sincrotrón de electrones DESY (1964-presente), seguido por DORIS (Double Ring Storage Facility, 1974-1992), PETRA (Positron–Electron Tandem Ring Facility, 1978-presente) y HERA (Hadron–Electron Ring Accelerator, 1992-2007). En 1987, el experimento ARGUS en DORIS fue el primero en observar una gran mezcla de mesones B y, por lo tanto, un proceso en el que la materia y la antimateria se comportan de manera diferente. [25] [27] El descubrimiento más importante de los experimentos TASSO , JADE , MARK-J y PLUTO en PETRA fue la detección del gluón , la partícula mensajera de la fuerza fuerte , en 1979. [25] A partir de 1990, PETRA sirvió como preacelerador para el anillo de almacenamiento aún más grande HERA con sus cuatro experimentos H1 , ZEUS , HERMES y HERA-B . HERA fue la única instalación de anillo de almacenamiento en el mundo en la que los protones colisionaron con electrones o positrones . En estas colisiones, el electrón puntual actuó como una sonda, escaneando la estructura interna del protón y haciéndolo visible con alta resolución. Los conocimientos precisos de HERA sobre el interior del protón formaron la base para muchos otros experimentos de física de partículas, especialmente en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el centro de investigación CERN y para numerosos desarrollos en física de partículas teórica. [25] [28]
Paralelamente, ya en los años 60, grupos de investigación de DESY, de varias universidades y de la Sociedad Max Planck desarrollaron la tecnología para utilizar la radiación de sincrotrón producida por los aceleradores. [29] Para satisfacer la creciente demanda nacional y europea, DESY fundó su propio gran laboratorio: el Laboratorio de Radiación de Sincrotrón de Hamburgo HASYLAB, que abrió sus puertas en 1980. [30] Proveyó estaciones de medición en DORIS, y fue aquí donde la bioquímica israelí Ada Yonath (Premio Nobel de Química 2009) realizó experimentos de 1986 a 2004 que la llevaron a descifrar el ribosoma . [25] [31] A partir de 1995, tanto los experimentos de radiación de sincrotrón como los de física de partículas se llevaron a cabo en PETRA. En 2009, la instalación de PETRA fue modernizada para su uso exclusivo como fuente de radiación de sincrotrón para rayos X duros (PETRA III). [25] En la actualidad, PETRA III presta servicio a más de 40 estaciones experimentales y existen planes para ampliarlo con el microscopio de rayos X 3D PETRA IV. [32] [33] Con el cierre de DORIS a principios de 2013, se abandonó el nombre HASYLAB y desde entonces el uso de las fuentes de luz de DESY se ha llevado a cabo en su división Photon Science.
A principios de los años 1990, DESY comenzó a desarrollar una nueva tecnología: la tecnología de aceleradores de radiofrecuencia basada en cavidades superconductoras hechas de niobio , que se enfrían a aproximadamente 2 K (−271 °C) con helio líquido . El primer acelerador sobre esta base fue una instalación de prueba para aceleradores lineales superconductores en DESY para probar el principio de emisión espontánea autoamplificada (SASE) de luz láser de rayos X. [34] La teoría SASE se desarrolló y perfeccionó en DESY y en institutos en Rusia, Italia y los EE. UU. a partir de 1980. [35] En 2000 a 2001, la instalación de prueba en DESY fue el primer láser de electrones libres en el mundo en producir destellos de luz en el rango ultravioleta de vacío y rayos X suaves . [36] Hoy, la instalación FLASH produce pulsos de luz ultracortos en el rango de rayos X suaves para siete estaciones experimentales. [37] Desde 2020, se ha ampliado para optimizar aún más las propiedades de la radiación (proyecto FLASH2020+). [38]
De 2009 a 2016, un consorcio internacional liderado por DESY desarrolló el láser de electrones libres de rayos X europeo European XFEL . La instalación de investigación internacional, en la que participan 12 países accionistas europeos, es operada por la empresa sin fines de lucro European XFEL GmbH . El núcleo de la instalación es un acelerador lineal superconductor de 1,7 km. Con una energía de electrones de 17,5 GeV, es el acelerador lineal superconductor más potente del mundo hasta la fecha. DESY opera el acelerador en nombre de European XFEL GmbH. [39] [40]
Desde 2010, DESY ha estado desarrollando tecnología de aceleradores basados en plasma (tanto por láser como por haz de electrones) como una posible alternativa a las tecnologías de aceleradores convencionales, con el objetivo de permitir aceleradores compactos para la ciencia de fotones, la física de partículas, así como aplicaciones médicas e industriales. [41]
El DESY está dirigido por una Dirección integrada por los directores de las cuatro divisiones (Aceleradores, Ciencia de Fotones, Física de Partículas y Física de Astropartículas) y la administración, así como por el delegado de la Dirección para la innovación. Los presidentes de la Dirección hasta el momento han sido: [25]
El campus de DESY en Hamburgo alberga varios centros nacionales e internacionales en los que participa DESY. Estos son: [43]
DESY tiene como objetivo fomentar la creación de empresas y aplicar los conocimientos adquiridos en el ámbito de la investigación fundamental. Ofrece a las empresas comerciales apoyo en cuestiones industriales, por ejemplo, mediante el acceso especial a fuentes de fotones y laboratorios, desarrolla ideas, aplicaciones y productos basados en la investigación fundamental y apoya a sus empleados en la creación de empresas emergentes basadas en las tecnologías de DESY en las regiones de Hamburgo y Brandeburgo. DESY ofrece a las empresas emergentes acceso a oficinas, laboratorios y talleres en el DESY Innovation Village y en el Start-up Labs Bahrenfeld, creados en colaboración con la Universidad de Hamburgo y la Ciudad Libre y Hanseática de Hamburgo .
