Kernphysik | beschleunigerphysik.de

In der Natur kommen nur Elemente bis zur Ordnungszahl 103 vor. Schwerere Elemente können künstlich durch Verschmelzung beschleunigter Ionen erzeugt werden. In Experimenten am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt wurden auf diese Weise die sechs Elemente 107 bis 112 entdeckt: Bohrium (107), Hassium (108), Meitnerium (109), Darmstadtium (110), Roentgenium (111), Copernicium (112). Für die Elementen 113 bis 117 konnte die Entdeckung, die in Laboren in Russland und Japan gemacht wurden, bestätigt werden - eine Voraussetzung für die offizielle Anerkennung durch die Internationale Union für reine und angewandte Chemie.

Mit Beschleunigern werden Atomkerne und exotische Kernmaterie vermessen. Genaue Daten aus der Kernphysik helfen auch der Industrie und Medizin.

# Beispiele aus der Forschung

Ob extreme Zustände wie kurz nach dem Urknall oder die Entstehung der Elemente in Sternenexplosionen – Kernphysik hat das Winzige und das Riesige im Blick.

# Entdeckung neuer Elemente

Am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt forschen Weltmeister – Weltmeister der Erzeugung schwerer Atomkerne. Dazu werden natürlich vorkommende Atomkerne bei hohen Energien verschmolzen. So konnten bei GSI bereits sechs bis dato unbekannte schwere Elemente erzeugt und untersucht werden.

# Entstehung der Materie

Alle schweren Elemente, auch das Eisen im menschlichen Blut, sind vor langer Zeit in gewaltigen Sternenexplosionen entstanden. Wer die kernphysikalischen Prozesse dahinter verstehen will, muss die Eigenschaften der vielen Zwischenprodukte kennen. Doch diese sind meist sehr kurzlebig und kommen nicht natürlich auf der Erde vor. Daher werden sie mit Beschleunigern erzeugt. Dies geschieht bei GSI in Darmstadt; auch die ISOLDE-Anlage bei CERN produziert kurzlebige Atomkerne.
Einige der Kernprozesse, die auch in unserer Sonne ablaufen, können nur in einer Umgebung untersucht werden, die von der kosmischen Strahlung abgeschirmt ist. Dazu werden im Gran-Sasso-Bergmassiv in Italien mit deutscher Beteiligung Beschleuniger tief unter der Erde betrieben.

# Urknall und Neutronensterne

An der Grenze zwischen Kern- und Teilchenphysik werden Quark-Gluon-Plasmen erforscht. Aus dieser extrem heißen und dichten Form von Kernmaterie bestand das Universum in seinen ersten Sekundenbruchteilen. Heute findet man sie höchstens noch in Neutronensternen oder nach dem Zusammenstoß beschleunigter Atomkerne. Bei CERN werden am LHC-Beschleuniger Quark-
Gluon-Plasmen wie nach dem Urknall produziert. Bei GSI wird die im Bau befindliche Beschleunigeranlage FAIR Plasmen mit hohen Dichten erzeugen, wie sie im Inneren von Neutronensternen vorkommen.

# FAIR

Die FAIR-Beschleunigeranlage kann, wie sonst keine andere Anlage der Welt, Teilchenstrahlen von allen chemischen Elementen (bzw. Ionen) sowie Antiprotonen liefern - und das in einer x-fach höheren Intensität und Energiegenauigkeit als bisher möglich.

# Die Wissenschaft

Etwa 3000 Wissenschaftler, darunter mehr als 500 Doktoranden aus der ganzen Welt, werden an FAIR Experimente durchführen, um die grundlegende Struktur der Materie zu verstehen, ihre exotischen Formen zu erforschen und zu verstehen, wie sich das Universum aus seinem Urzustand entwickelt hat.

Das wissenschaftliche Programm von FAIR ist in vier Säulen gegliedert und in vier großen Kollaborationen mit jeweils mehreren hundert Mitgliedern organisiert: APPA, das Gemeinschaften in den Bereichen Atom- und Plasmaphysik und deren Anwendungen dient; CBM, das Experiment mit komprimierter baryonischer Materie; NUSTAR, das Programm NUclear STructure, Astrophysics and Reactions; und PANDA (antiProton ANihilation in DArmstadt), das die Untersuchung von Hadronen mit Hilfe von Antiprotonenstrahlen zum Ziel hat.

# Herausforderungen

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# Die Herausforderungen

Die Teilchen werden in der FAIR-Beschleunigeranlage auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und den wissenschaftlichen Experimenten zugeführt.

Die Forschung bei FAIR ist in vier großen Forschungssäulen organisiert: NUSTAR, CBM, PANDA, APPA.

Die FAIR-Anlage wird zunächst aus sechs Ringbeschleunigern (SIS18, SIS100, CR, HESR, ESR und CRYRING), zwei Linearbeschleunigern (p-Linac, UNILAC) und etwa 1,5 Kilometer langen Netz aus Strahlführungen bestehen. An zwei Stellen, pbar und RIBs, lassen sich die beschleunigten Teilchen in andere umwandeln.

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Der FAIR-Treiberbeschleuniger wird Protonen- und Schwerionenstrahlen mit hoher Energie/hoher Intensität an verschiedene Experimentierstationen liefern. Die CBM-, Plasma- und Biomat-Experimente werden direkt mit Teilchen vom SIS100 versorgt.

Die Beschleunigeranlage wird durch ein System von Speicherringen ergänzt. Die Hauptaufgabe des Kollektorrings (CR) ist die stochastische Abkühlung von radioaktiven Ionen oder Antiprotonenstrahlen aus den Produktionstargets. Darüber hinaus bietet dieser Ring die Möglichkeit für Massenmessungen von kurzlebigen Ionen. Der Hochenergie-Speicherring (HESR) ist für Antiprotonen mit einer Energie von bis zu 14 GeV optimiert. Dieser Ring wird mit einem internen Target und einem zugehörigen Detektoraufbau (PANDA) betrieben.