Grundlagenforschung mit FAIR

Die Teilchenphysik strebt keineswegs ausschließlich nach immer höheren Energien. Es gibt noch viele grundlegende Fragen in der Kern- und Teilchenphysik, die sich nicht mit großen Beschleunigern wie dem zukünftigen LHC beantworten lassen. Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) wird viele dieser Fragen angehen. Diese Anlage kann sämtliche Atomkerne vom Wasserstoff bis zum Uran bis auf etwa 99 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Der Startschuss für diese Großforschungsanlage erfolgt am 7. November 2007, ab 2012 sollen die ersten Experimente den Betrieb aufnehmen.

Mehr als 2500 Wissenschaftler und Ingenieure aus 44 Ländern haben gemeinsam eine Großforschungseinrichtung geplant, die in den kommenden Jahren neben der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt errichtet wird. Insgesamt elf europäische Länder sowie Russland, China und Indien werden die Anlage gemeinschaftliche bauen und betreiben. Zu den Baukosten von 1,2 Mrd. Euro wird Deutschland einen Großteil beitragen.

Die bestehenden Beschleuniger der GSI werden als Injektor für FAIR benutzt, der Rest der Anlage wird neu gebaut werden (Abbildung 1). Das optimierte Design und die Verwendung modernster Technologien erlauben den parallelen Betrieb aller Experimente und somit eine höchst effiziente und kosteneffektive Ausnutzung der Beschleunigeranlagen, welche die weltweit intensivsten und gleichzeitig präzisesten Ionenstrahlen zur Verfügung stellen werden. Die erreichbaren Energien betragen bei schweren Ionen 34 GeV pro Nukleon für vollständig ionisiertes Uran und 14 GeV für Antiprotonen. Die augenblicklichen Forschungsprogramme umfassen 15 Experimente mit mehr als 2000 teilnehmenden Physikern. Weitere Forschungsvorhaben an FAIR sind bereits in der Planung. Das umfassende Forschungsprogramm soll hier kurz skizziert werden.

Abb. 1: Schematische Darstellung von FAIR. Links (blau) befinden sich die Gebäude der GSI, rechts (rot) die neu zu bauenden Teile von FAIR, die zwei Schwerionen-Synchrotrons (oben rechts) dominieren. Die kleineren Speicheringe erlauben den parallelen Betrieb der verschiedenen Forschungsprogramme.


Kurzlebige, seltene Isotope
Sterne erzeugen in ihrem Innern durch Fusion Elemente bis zum Eisen. Schwerere Elemente könnten so nicht entstehen, da für deren Erzeugung Energie aufgebracht werden muss. Erst das Ende von Riesensternen als Roter Riese oder Supernova stellt hierfür ausreichend Energie zur Verfügung. Die Produktion schwerer Elemente erfolgt dabei immer über eine Kette kurzlebiger Isotope, die schließlich bei einem stabilen Element endet.

Der genaue Ablauf dieser Nukleosynthese ist bis heute jedoch weitgehend unbekannt. Auch von den schätzungsweise 7000 Isotopen, die im Universum eine Rolle spielen, ließen sich bislang erst etwa 2800 erzeugen. FAIR wird die Intensität bestehender Anlagen um etwa den Faktor 10000 übertreffen und einen Großteil der noch unbekannten, instabilen Isotope in einer Anzahl produzieren können, die es erlaubt, sie mit unterschiedlichen Experimenten zu studieren.

Quark-Gluon-Plasma
Die FAIR-Anlage kann einen hochenergetischen Ionenstrahl auf unterschiedliche Festkörper lenken, in denen dann für Sekundenbruchteile in Kern-Kern-Stößen hochverdichtete und sehr heiße Kernmaterie entsteht. Danach zerfällt diese in einen Schauer elementarer Teilchen, die große Detektoren registrieren.

Von besonderem Interesse ist der Übergang in eine neue, bislang unerforschte Materieform, die man im Zentrum von Neutronensternen vermutet. Bei sehr hohen Dichten und/oder Temperaturen, wie man sie im Innern dieser ultrakompakten Körper vermutet, sollten die Protonen und Neutronen ihre Identität verlieren und sich in ein Plasma auflösen, das aus Quarks, Gluonen und anderen Teilchen besteht. Diese Materieform nennt man Quark-Gluon-Plasma [1].

Man nimmt an, dass sich etwa eine Millisekunde nach dem Urknall ein umgekehrter Übergang vom Quark-Gluon-Plasma in die heutige, durch Protonen, Neutronen und Elektronen dominierte Materie vollzogen hat. Die Untersuchung dieses Materiezustandes liefert uns also Informationen über den Beginn des Universums.

Antiprotonen
Die Quantenchromodynamik (QCD) hat sich als Beschreibung der starken Wechselwirkung in den letzen Jahrzehnten überzeugend durchgesetzt. Nicht zuletzt die Entdeckung des Top-Quarks gilt als Triumph dieser Theorie. Die Austauschteilchen dieser Wechselwirkung, die Gluonen, tragen Farbladungen, was zu einem paradoxen Zustand führt: Bei niedrigen Energien, wie sie im Inneren eines Protons oder eines Neutrons vorliegen, dominieren die Wechselwirkungen der Gluonen und virtuellen Quarks untereinander. Deshalb macht die Gesamtmasse der drei Quarks (constituent quarks) nur etwa 2 % der Protonmasse aus. Auch der Spin des Protons kann bis heute nicht durch die vorhandenen Messungen aus der Hochenergiephysik erklärt werden. Bei FAIR werden Antiprotonenstrahlen höchster Intensität und Qualität auf ein Wasserstoff-Target gelenkt werden. Die gegenseitige Vernichtung von Quarks und Antiquarks erlaubt die Untersuchung der inneren Dynamik der Hadronen und soll die Frage beantworten, welche Kernbausteine Masse und Spin des Protons definieren.

Die im Wasserstoff-Target entstehenden Proton-Antiproton-Wechselwirkungen ermöglichen außerdem die Untersuchung der entstehenden Teilchen. Die QCD sagt gebundene Zustände aus Gluonen (sogenannte Glueballs) und von Hybriden (Quark-Gluon-Systeme) voraus. Die erreichbaren Schwerpunktsenergien in FAIR erlauben eine präzise Spektroskopie von Mesonen, die aus zwei Quarks bestehen. Mesonen, die Charm-Quarks enthalten, sind dabei von besonderem Interesse. Charm-Quarks sind deutlich schwerer als die leichten Quarks im Proton, was eine Analyse mit nicht-relativistischer Störungsrechnung erlaubt. Diese ist deutlich zuverlässiger, als die besten Modelle für leichte Quarks. Der Antiprotonenstrahl kann in der Energie variiert werden, was zusammen mit dem hochauflösenden Detektor viele neue Erkenntnisse erwarten lässt.

Die Antiprotonen von FAIR werden aber noch anderweitig untersucht: Sie werden abgebremst und in magnetischen Fallen gespeichert, wo mit Positronen Antiwasserstoff gebildet wird. Diese und weitere Experimente erlauben ein tieferes Verständnis der Antimaterie [2].

Plasma- und Atomphysik
Bei FAIR werden die Schwerionen-Kollisionen in weiterer Weise genutzt. Der Energieübertrag von kurz gepulsten Ionenstrahlen erlaubt die direkte Erhitzung eines ausgedehnten Bereiches eines Targets, beispielsweise eines Kristalls. Zusätzlich wird das Volumen mit einem Laser bestrahlt, dessen Leistung im Petawattbereich (1015 W) liegt. Dabei durchläuft das Plasma eine Reihe von Phasenübergängen, deren Beobachtung Rückschlüsse auf die Zustandsgleichung hochverdichteter Materie mit hoher Energie erlaubt. Diese Art von Materie kommt sowohl im Inneren der Sonne als auch in großen Gasplaneten wie Jupiter vor. Die erreichbaren hohen Dichten und Temperaturen bei FAIR könnten aber auch Grundlagen für alternative Verfahren zur technischen Kernfusion liefern (Inertial Confinement Fusion).

Ein weiteres Forschungsprogramm bei FAIR befasst sich mit den Auswirkungen ionisierender Strahlung auf Zellkulturen und Festkörper. Diese Experimente werden hauptsächlich im Zusammenhang mit Langzeitaufenthalten von Astronauten zum Beispiel in einer Mondstation oder während einer Marsexpedition benötigt. Die galaktische kosmische Strahlung enthält einen kleinen Teil an schweren Kernen, die bei solchen Unternehmen eine signifikante Rolle spielen. FAIR soll das Referenzlabor der Europäischen Weltraumorganisation für solche Untersuchungen sein.

Last but not least erlauben hoch ionisierte schwere Ionen, die fast aller ihrer Elektronen beraubt wurden, Tests der Quantenelektrodynamik (QED) bei sehr hohen Feldstärken. Hierbei werden die Ionen abgebremst und in magnetischen Fallen untersucht.

Ingo Augustin, FAIR Joint Core Team, GSI Darmstadt

Quelle: Physik in unserer Zeit 5 / 2007

Weitere Infos:

• www.fair-center.de

• [1] V. Eckardt, N. Schmitz, P. Seyboth, Physik in unserer Zeit 2005, 36 (3), 126.

• [2] A. Kellerbauer, Physik in unserer Zeit 2007, 38 (4), 168.