Photon-Photon Collider mit einer Schwerpunktsenergie von < 12 GeV installiert an der Europaeischen XFEL-Anlage

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gudrid Moortgat-Pick
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430227464

Bisher wurde die Physik von kollidierenden Photonstrahlen an e+e- (und pp) Speicherringen untersucht, wobei virtuelle Photonen (γ*γ*) das Feld zur Wechselwirkung mit den relativistischen elektrisch geladenen Teilchen erzeugen. Die entsprechende (γ*γ*)-Luminositaet ist allerdings kleiner als die Luminositaet in e+e- Kollisionen. Solche Prozesse von 2-Photon-Kollisionen sind jedoch sehr interssant und wurden vielfach untersucht. Im Gegensatz zu e+e- Kollisionen, in denen nur Photonen mit den Quantenzahlen Spin 1 und C-Paritaet -1 produziert werden, werden in γγ Kollisionen Resonanzen mit C=+1 erzeugt.Die erste Beobachtung solch einer C=+1 Resonanz an einem e+e- Beschleuniger wurde von einem der russischen Ko-Autoren dieses Projektes 1979 gemacht und im Jahre 1981 hat er das Konzept entwickelt, einen Beschleuniger mit hoch-energetischen reellen γγ (γe)-Strahlen und hoher Luminostaet an einem hochenergetischen e+e- Beschleuniger zu bekommen. Hierbei werden die Photonen mittels Compton Streuung eines Lasers am Elektronen Strahl. Gerade in den letzten Jahren ist grosser Fortschritt seitens der Laser-Technologie erzielt worden und Roentgenquellen, die mittels Compton Streuung erzeugt werden, sowieauch neue Beschleunigungsmethoden wurden entwickelt.Vor kurzem wurde die Europaeische X-ray free electron laser (XFEL) Anlage in Hamburg am DESY in Betrieb genommen. Hierbei wird ein supraleitender linearer Beschleuniger benutzt, der einen Elektronen Strahl mit einer Energie von 17 GeV erzeugt. Gegenwaertig wird der Elektronen-Strahl nach dem Durchgang durch die XFEL Anlage auf einen Beam Dump geleitet. In diesem Projekt schlagen wir vor, den Strahl alternierend in zwei Boegen und wieder aufeinander zu umzuleiten und kurz vor der Kollision, die Elektronen mittels eines Lasers (λ ~ 0.5 μm) in Photonen zu konvertieren. Hierdurch wuerde man einen γγ-Beschleuniger mit einer c.m.s. Energie von bis zu 12 GeV bekommen. Somit werden ein grosser Bereich mit Resonanzen erreicht, der c- und b-quarks abdeckt. Verschiedene exotische Zustaende wurden in c- und b-quark Resonanzen in B-Factories und am LHC beobachtet. Ebenfalls koennen neue Arten von Teilchen (Kandidaten dunkler Materie, sowie leichte nicht Standard-Modell-artige Higgs-Teilchen) erzeugt werden. Hoch-energetische Photonen lassen sich sowohl zirkular- wie auch linear polarisieren, was eineeinzigartige Gelegenheit bietet, solche Zustaende mit C=+1 in diesem Energiebereich zu studieren. Das Ziel dieses Projektes ist es, zusammen mit den russischen Kollegen, ein detailliertes Konzept fuer solche einen γγ-Beschleuniger am XFEL zu entwickeln. Wir planen, ein Physik-Programm auszuarbeiten, die moeglichen Parameter fuer den γγ (eγ) Beschleuniger zu berechnen, werden technische Beschleuniger und Laser Aspekte mit einbeziehen, so dass dieses Projekt, die Grundlage bildet fuer moegliche Weiterentwicklungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Valery Telnov, bis 3/2022