Das Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL) war ein Forschungsinstitut für Hochenergiephysik in Orsay südlich der französischen Hauptstadt Paris. Es bestand von 1956 bis 2019. Das LAL errichtete und betrieb mehrere Teilchenbeschleuniger für Elektronen und Positronen. Es war während seines Bestehens eines der wichtigsten Zentren für die experimentelle Teilchenphysik und die Beschleunigerphysik in Frankreich. Ebenso trug es zur Instrumentierung am europäischen Teilchenphysikzentrum CERN bei. An Speicherringen des LAL wurde auch zum ersten Mal in Europa Synchrotronstrahlung zur Materialcharakterisierung nutzbar gemacht.

Geschichte und Aktivitäten

Entstehung

mini |Haupteingang (Gebäude 200 des Campus Orsay, Bild: Oktober 2013) In den 1950er Jahren waren die experimentelle Kernphysik und die sich entwickelnde Hochenergiephysik hochaktuelle Forschungsbereiche. 1954 bewilligte in diesem Kontext die französische Regierung unter Pierre Mendès France die Finanzierung zweier Teilchenbeschleuniger, von denen einer für das Laboratoire Curie des von Irène Joliot-Curie geleiteten Institut du Radium bestimmt war und der andere für das Physik-Department der Pariser École normale supérieure (ENS, Rue d’Ulm), dessen Chef der Kernphysiker Yves Rocard war. Beide Projekte wurden auf ein und demselben Campus zwischen den Orten Orsay und Bures-sur-Yvette im Tal von Chevreuse südlich von Paris realisiert. Der Grund und Boden dort wurde 1955 mit der Absicht erworben, eine Erweiterung der wissenschaftlichen Fakultät der Pariser Universität zu schaffen. Joliot-Curie entschied sich für ein Synchrozyklotron als technisches Prinzip. Das entsprechende Institut, zunächst als Laboratoire Joliot-Curie bezeichnet, wurde später in Institut de physique nucléaire d’Orsay (IPNO) umbenannt.

Rocard hingegen wählte für die unter seiner Leitung zu errichtende Anlage das Prinzip des Linearbeschleunigers, kurz Linac. Bereits ab 1950 waren an der ENS im 5. Pariser Arrondissement kleinere Linearbeschleuniger gebaut worden. Neben Rocard war Hans Halban, der Leiter des Bereichs Kernphysik der ENS, für den Bau verantwortlich. Am Bau war maßgeblich das Unternehmen Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) beteiligt. Von Beginn des Projekts an trug das Institut den Namen Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL).

Beschleunigeranlagen

Linearbeschleuniger

Ein wesentlicher Vorteil von Linacs gegenüber Ringbeschleunigern ist, dass die erreichbare Teilchenenergie der Maschine schrittweise erhöht werden kann, indem zusätzliche Sektionen hinzugefügt werden. Diese Möglichkeit wurde auch beim Linearbeschleuniger des LAL genutzt. Am 24. Dezember 1958 begann der Strahlbetrieb an einer ersten Stufe des Linacs mit einer Elektronenenergie von 3 MeV. Ein Jahr später erreichte er bereits 165 MeV, 1964 nach weiterem Ausbau dann 1,3 GeV. Damit hielt das LAL kurze Zeit den Weltrekord für die Teilchenenergie bei Elektronen-Linearbeschleunigern. 1968 wurden schließlich 2,3 GeV erreicht. Ab 1963 konnte der Linac auch Positronen beschleunigen, zunächst auf bis zu 250 MeV, später dann bis auf 1 GeV.

Die Anlage war mit Spektrometern zur Auswertung der dort zu beobachtenden Streuprozesse, Kern- und Teilchenreaktionen ausgestattet. Diese Geräte wurden im Lauf des Ausbaus des Linac erweitert und an die gestiegenen Teilchenenergien angepasst. Zu Beginn wurden vornehmlich Elektronenstreuexperimente zur Erforschung der Struktur von Atomkernen und Nukleonen durchgeführt. Später wurden die Apparate weiterentwickelt für die Untersuchung des Zerfalls von Mesonen – zunächst des π-Mesons, später des K- und des η-Mesons – durch Analyse der bei diesen Prozessen entstehenden Photonen und Elektronen. Auch Experimente zur Quantenelektrodynamik wurden durchgeführt.

Die Möglichkeit der Produktion und Beschleunigung von Positronen wurde zunächst geschaffen, um deren Streuquerschnitte zu bestimmen und mit denjenigen von Elektronen zu vergleichen. Später erwies sich der Positronenstrahl als sehr nützlich für Collider-Ringbeschleuniger, die ab den 1960er Jahren am LAL gebaut wurden.

In den 1960er Jahren gehörten das LAL und sein Linearbeschleuniger zu den weltweit größten Einrichtungen im Bereich der Hochenergiephysik. Mit dem Bau leistungsfähigerer Anlagen wie den Beschleunigern bei DESY in Hamburg und dem CERN bei Genf verloren die Anlagen am Standort des LAL in der Folge jedoch an Attraktivität für die Elementarteilchenphysik. Ab 1985 wurde der Linac ausschließlich als Injektor für die Ringbeschleuniger des LAL verwendet. Am 19. Dezember 2003 wurde er endgültig stillgelegt; 2004 begann seine Demontage. Das Institut behielt allerdings seinen Namen bei.

Ringbeschleuniger für die Teilchenphysik

mini |Speicherring ACO (Bild: 2012) mini |Beschleuniger­kontroll­raum (Bild: 2015) 1962 wurde der am italienischen Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Frascati unter der Leitung von Bruno Touschek entwickelte, weltweit erste Positron-Elektron-Collider, der Ringbeschleuniger ADA (Anello di Accumulazione), von Italien nach Orsay gebracht und am LAL aufgebaut, wo der Linearbeschleuniger für ihn als Injektor diente. Aus dem Betrieb von ADA in Orsay, der bis 1964 andauerte, gingen die Beobachtung der ersten Elektron-Positron-Kollisionen sowie die Entdeckung des Touschek-Effekts hervor.

1965 ging am LAL ein Collider-Speicherring namens ACO (Anneau de collisions d’Orsay) in Betrieb, der in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum des CEA im nahegelegenen Saclay entwickelt worden war. Mit ACO konnten Kollisionen zwischen Elektronen und Positronen mit einer Schwerpunktsenergie von 1,1 GeV beobachtet werden. Die Anlage lieferte bedeutende neue Erkenntnisse zur Beschleunigerphysik und wurde im Bereich der Teilchenphysik für neuartige Messungen an Vektormesonen benutzt. Insgesamt sechs Teilchendetektoren wurden bis 1975 an ihr benutzt, darunter der weltweit erste mit longitudinalem Magnetfeld.

mini |Gebäude des LAL; in der Bildmitte das „Iglu“ (Bild: 2015) In einer 1964 errichteten Experimentierhalle mit kreisrundem Grundriss und nach oben gewölbtem Dach, nach ihrer äußeren Gestalt als Igloo („Iglu“) bezeichnet, wurde 1975 der Speicherring DCI (Dispositif de collision dans l’Igloo, „Kollisionsgerät im Iglu“) in Betrieb genommen. Für die Teilchenphysik wurden am DCI zwischen 1976 und 1984 drei Detektoren betrieben. In dieser Zeit wurden nahezu neun Millionen J/ψ-Mesonen mit dem DCI nachgewiesen, mehr als irgendwo sonst auf der Welt zu dieser Zeit.

Synchrotronstrahlungsquellen

1973 wurde eine Idee der Spektroskopikerin Yvette Cauchois umgesetzt, indem am ACO eine Strahllinie zur Nutzung von Synchrotronstrahlung eingerichtet wurde. ACO wurde damit der erste Speicherring Europas, an dem Forschung mit Synchrotronstrahlung möglich war. Damit entstand das Laboratoire pour l’Utilisation du Rayonnement Électromagnétique (LURE). Es wurde organisatorisch 1985 vom LAL abgespalten.

Im Juni 1983 wurde am ACO ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) in Betrieb genommen. Es handelte sich um den zweiten FEL weltweit und um den ersten im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie den ersten FEL an einem Speicherring.

1985 wurde das Teilchenphysik-Programm am DCI eingestellt, woraufhin der Ring nur noch für die Forschung mit Synchrotronstrahlung benutzt wurde.

1987 wurde ein neuer Speicherring, Super-ACO, in Betrieb genommen, der speziell für die Nutzung von Synchrotronstrahlung konzipiert worden war. Super-ACO wurde – wie DCI – mit Positronen betrieben und beherbergte 20 Strahllinien (darunter sechs mit Undulatoren als Strahlungsquelle), die von Nutzern aus Frankreich und dem Ausland für Anwendungen aus Atom- und Molekülphysik, Festkörper- und Oberflächenphysik sowie zur Kristallstrukturanalyse verwendet wurden. Ein FEL lieferte kohärente Strahlung im Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Ultraviolett (ca. 300 nm).

ACO wurde am 29. April 1988 stillgelegt. Super-ACO und DCI wurden bis 2001 betrieben. Ihre Nachfolge als nationale französische Synchrotronstrahlungsquelle trat das wenige Kilometer entfernt errichtete Synchrotron SOLEIL an, das 2006 in Betrieb ging.

Für Ultrakurzzeit-Spektroskopie und die Untersuchung nichtlinearer Prozesse mit Infrarotstrahlung ging 1991 der Freie-Elektronen-Laser CLIO in Betrieb. Er wird mit Stand vom Mai 2026 weiterhin betrieben. In den Jahren nach 2010 wurden am LAL unter anderem der Photoinjektor PHIL und die kompakte Röntgenquelle THOMX entwickelt.

Weitere Aktivitäten

Das Labor war an Projekten der internationalen Großforschung im Bereich der Teilchen- und der Beschleunigerphysik beteiligt, unter anderem in anderen europäischen Ländern, den USA, Japan und im Weltraum. 1980 bis 1986 konstruierten Beschleunigerphysiker des LAL den Injektor LIL für den Speicherring LEP am CERN im Raum Genf. Die Beschleunigerabteilung des LAL war auch am European XFEL in Hamburg, an ELI-NP in Rumänien und an Grundlagenforschung beim CERN und dem japanischen Forschungszentrum KEK beteiligt.

Ab 1987 wurde am LAL auch zu Themen geforscht, die nicht die Verwendung von Teilchenbeschleunigern beinhalteten, insbesondere im Bereich der Astrophysik und der Kosmologie.

Organisation, Personal

Bei der Gründung des Labors und unmittelbar danach arbeiteten am LAL Forscher und Techniker der ENS. Später und insbesondere in seinen letzten Jahren war das Labor eine Unité mixte de recherche (UMR) der staatlichen Forschungsorganisation CNRS (innerhalb der es zum Institut national de physique nucléaire et de physique des particules, IN2P3, gehörte) und der Universität Paris-Süd. 2015 beschäftigte das LAL etwa 120 Forscher und 180 Techniker und Ingenieure, womit es das größte Labor des CNRS im Bereich Teilchenphysik und Kosmologie war.

Das LAL ging zum 1. Januar 2020 in dem neu gegründeten Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (IJClab) auf, einer vom CNRS/IN2P3, der Universität Paris-Saclay und der Universität Paris-Cité getragenen UMR. Das IJClab entstand durch Verschmelzung des LAL mit vier weiteren Instituten.

Leitung

Die Direktoren des LAL waren: Yves Rocard (Gründungsdirektor, 1955) Hans Halban (1956–1961) André Blanc-Lapierre (1961–1969) André Lagarrigue (1969–1975, im Amt verstorben) Pierre Lehmann (Januar bis März 1975) Jean Perez y Jorba (1975–1985) Michel Davier (1985–1994) Jacques Lefrançois (1994–1998) François Richard (1998–2002) Bernard d’Almagne (2002–2005) Guy Wormser (2005–2011) Achille Stocchi (2011–2018) Fabien Cavalier (1. November 2018 bis 31. Dezember 2019)

Denkmalschutz, Museum

Der Speicherring ACO wurde nach seiner Stilllegung 1988 nicht abgebaut, sondern verblieb an seinem Standort. Am 7. März 2002 wurden der Ringbeschleuniger, sein Fundament sowie die Mauern und das Dach der Experimentierhalle als Monument historique unter Denkmalschutz gestellt. Am 13. September 2013 erklärte die European Physical Society den Beschleunigerkomplex des LAL und des LURE zu einem EPS Historic Site. Der Komplex war die achte Einrichtung, die diesen Status erhielt.

Seit 1993 besteht der Verein Sciences ACO, dessen Ziel die Erhaltung von ACO sowie der Betrieb eines Museums sind, das ACO der breiten Öffentlichkeit, insbesondere Schülern und Studenten, zugänglich macht. Das gleichnamige, von ehrenamtlichen Mitgliedern des Vereins betriebene Museum ist nach Vereinbarung sowie zu Anlässen wie den European Heritage Days, der in französischsprachigen Ländern organisierten Wissenschaftskommunikationsveranstaltung Fête de la science oder der Langen Nacht der Museen zugänglich.

Weblinks

Einzelnachweise

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