FAIR – das Universum im Labor

In Darmstadt entsteht eine neuartige Beschleunigeranlage, die in internationaler Zusammenarbeit gebaut und betrieben wird. FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) ermöglicht Experimente mit hochintensiven Strahlen von Antiprotonen und Ionen, durch die Forschende das Innere von Sternen, exotische Materiezustände und die Wechselwirkungen kleinster Teilchen untersuchen können.

FAIR ist das Multitalent unter den weltweiten Beschleunigerprojekten: Die Anlage wird hochintensive Strahlen von leichten Teilchen wie Protonen und Antiprotonen bis hin zu schweren Atomkernen wie Uran bereitstellen. FAIR erlaubt die Durchführung eines breitgefächerten Forschungsprogramms mit einmaligen Experimentiermöglichkeiten, z.B. seltenen, exotischen Kernen, die bisher nicht zugänglich sind. Dabei bietet die Anlage eine Präzision, die an keiner anderen Anlage erreicht werden kann. Als internationales Großprojekt auf dem Gebiet der Hadronen- und Kernphysik fördert FAIR die Zusammenarbeit von Forschenden vieler Nationen und ebnet den Weg für bahnbrechende Entdeckungen in Hadronen-, Kern-, Atom- und Plasmaphysik sowie für Anwendungen in der Materialforschung, Weltraumphysik, Strahlenbiologie und Strahlenmedizin.

Aufbau einer internationalen Beschleunigeranlage

Im Oktober 2010 fand in der hessischen Landeshauptstadt Wiesbaden die feierliche Unterzeichnung des völkerrechtlichen Abkommens (FAIR Convention) für die Realisierung der FAIR-Beschleunigeranlage in Darmstadt statt. Darin haben sich neun Partnerländer verpflichtet, die FAIR-Anlage in internationaler Zusammenarbeit zu bauen und zu betreiben. Die Kosten werden von den Mitgliedsstaaten getragen: Deutschland, Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland,Schweden und Slowenien. Großbritannien beteiligt sich ebenfalls als assoziierter Partner. Gut eineinhalb Jahre nach der Vertragsunterzeichnung konnten die ersten Vorbereitungen für den Bau beginnen. Für die Errichtung der Anlage sind aktuell 1,262 Milliarden Euro eingeplant (Preisbasis 2005). Hauptgeldgeber ist die Bundesrepublik Deutschland, mit einer Beteiligung von rund 70 Prozent an den Errichtungskosten. Der Bund und das Land Hessen stellen dafür rund 878 Millionen Euro bereit, Die Entwicklung und der Bau der Experimente, die bei FAIR stattfinden sollen, wurden im Rahmen der Verbundforschung gefördert. Hierfür hat das Bundesforschungsministerium von 2012 bis heute zusätzlich 45 Millionen Euro bereitgestellt. Erhebliche Zusatzfinanzierungen für das FAIR-Experimentierprogramm hat auch das Land Hessen über das LOEWE-Exzellenzprogramm beigesteuert.

Die Grafik zeigt das Schema der geplanten Beschleunigeranlage. Oben ist der große Doppelringbeschleuniger zu sehen, von dort führen mehrere Beschleunigerröhren zu den Stationen der Experimente und zu den kleineren Speicherringen. Ein Teil der Anlage ist rot, ein anderer gelb eingefärbt. Links oben sind die Gebäude des GSI Helmholtzzentrums angedeutet, dort liegen ein kleinerer Ring- und ein Linearbeschleuniger, die mit der FAIR-Anlage verbunden sind und blau gefärbt sind.
FAIR im Überblick

Mit der Wahl des Standorts Darmstadt auf dem Gelände des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung baut FAIR auf eine jahrzehntelange Expertise in der Beschleuniger-, Kern- und Atomphysik sowie der Forschung mit Ionenstrahlen auf. Die GSI betreibt seit über 40 Jahren mit großem Erfolg eine Beschleunigeranlage für Ionenstrahlen, die jährlich von rund 1000 nationalen und internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für Spitzenforschung genutzt wird. Markante Highlights aus der GSI-Forschung sind unter anderen die Entdeckung sechs neuer chemischer Elemente und die Entwicklung einer neuartigen Krebstherapie mit Ionenstrahlen, mit der inoperable Tumoren, z.B. im Kopf und Nackenbereich, mit hoher Präzision und unter Schonung des gesunden Gewebes behandelt werden können. FAIR wird neue Maßstäbe setzen, was die Qualität und Intensität der Strahlen sowie die Vielseitigkeit der Experimente angeht. Die derzeitige Planung sieht vor, dass ein Großteil der FAIR-Anlage ab 2022 in Betrieb geht. Zu diesem Zeitpunkt werden die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits mit einer Vielzahl von Experimenten beginnen können. Die zweite Ausbaustufe folgt bis 2025. Mit ihr werden die Möglichkeiten der Anlage nochmals erweitert. FAIR wird als internationales Gastlabor rund 3000 Forschenden aus über 50 Ländern zur Verfügung stehen. Besonders der wissenschaftliche Nachwuchs profitiert von dem Großprojekt: In Deutschland beispielsweise haben mehrere Universitäten und Institute eine gemeinsame Helmholtz-Graduiertenschule „HGS-HIRe for FAIR“ etabliert, in der zurzeit ca. 300 Promovierende aus aller Welt an für FAIR relevanten Themen arbeiten. Die Ausbildung junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wird außerdem vom Helmholtz International Center for FAIR (HIC for FAIR) und vom BMBF mittels der Verbundforschungsförderung unterstützt.

GSI-Beschleuniger als Injektor für FAIR

Derzeit baut das GSI Helmholtzzentrum seine bestehenden Beschleuniger aus, die später als Injektoren an die FAIR-Anlage angeschlossen werden. Von dort gelangen vorbeschleunigte Ionen in das neue große Schwerionensynchrotron SIS 100, das einen Umfang von 1,1 Kilometern hat. Je nach Teilchenart werden die Ionen auf eine Energie zwischen einem und 29 Gigaelektronenvolt (GeV) beschleunigt. Um sie auf ihrer Bahn zu halten, werden über hundert supraleitende Dipolmagnete benötigt. Jeder von ihnen misst knapp drei Meter Länge und wiegt drei Tonnen. Sie erzeugen ein Feld mit der Stärke von 1,9 Tesla, das entspricht fast dem 40.000-fachen des Erdmagnetfeldes. Dank einer neuartigen Technologie verbraucht das Kühlsystem der Magnete deutlich weniger Energie als bei anderen Anlagen. Die Magnete werden in Deutschland produziert, der erste Prototyp wurde schon erfolgreich getestet.

Seitenansicht auf den Ring, der aus zahlreichen Bauteilen und Verkabelungen besteht.
Speicherring CRYRING

Die im SIS100 beschleunigten Ionen werden anschließend zu den Speicherringen und Experimentierstationen geleitet. Dazu werden sie auf sogenannte Targets gelenkt. Das sind Proben aus einem speziell ausgewählten Material. Durch Reaktionen der beschleunigten Teilchen mit den Atomen bzw. Atomkernen des Target-Materials können u.a. dichte Plasmen oder exotische, kurzlebige Kerne erzeugt werden, deren Zerfallsprodukte in Detektoren untersucht oder erneut gebündelt und für weitere Experimente genutzt werden. Letzteres gilt auch für Antiprotonen, die elektrisch negativ geladenen Antiteilchen der Protonen, die Wissenschaftler bei FAIR ebenfalls herstellen und für einzigartige Experimente nutzen können. Das Design der Anlage ist so angelegt, dass mehrere Experimente mit verschiedenen Ionenarten versorgt und parallel ausgeführt werden können. Somit ist eine sehr kosteneffiziente Nutzung garantiert.

Die vier Säulen des Experimentierprogramms

Die Forschung an FAIR ist in vier FAIR-Säulen organisiert: APPA, CBM, NUSTAR und PANDA. Für jede Säule haben sich Forschende in einem internationalen Forschungsverbund, einer sogenannten Kollaboration, zusammengeschlossen. Sie entwickeln neue Messverfahren und Detektoren, welche die Basis bilden für die Erreichung der wissenschaftlichen Ziele der neuen Anlage.

APPA

Das Forschungsprogramm von APPA – Atom-, Plasma Physik und Anwendungen – deckt eine große Bandbreite von Experimenten ab, die von atomaren Präzisionsexperimenten zur Überprüfung fundamentaler Symmetrien in der Natur über die Erzeugung und Untersuchung dichter, heißer Plasmen bis zur Induktion von makroskopischen Veränderungen in Materialien und biologischem Gewebe für Anwendungen in der Materialforschung und in der Krebstherapie reicht.

Für die Atomphysik bietet FAIR die Möglichkeit, extrem hohe elektrische und magnetische Felder zu erzeugen und auf diese Weise die Gültigkeit einer der grundlegenden Theorien der Physik, der Quantenelektrodynamik (QED), in einem bislang nicht zugänglichen Gebiet kritisch zu überprüfen. In ähnlicher Weise erlauben die FAIR-Anlagen kritische Tests fundamentaler Symmetrien der Natur: z.B. der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie (CPT-Symmetrie) mit Antiprotonenstrahlen oder der Lorentzinvarianz, d.h. der Raum-Zeit-Symmetrie, die der speziellen Relativitätstheorie zugrunde liegt.

In der Plasmaphysik eröffnet FAIR die Möglichkeit, heiße Plasmen, wie sie im Inneren von großen Planeten und Sternen vorherrschen, zu erzeugen und zu untersuchen. Anders als auf der Erde, stellen solche dichten heißen Plasmen in den meisten kosmischen Objekten den Normalzustand von Materie dar. Mit FAIR wird es den Wissenschaftlern quasi gelingen, kosmische Materie ins Labor zu holen und unser Wissen über die Eigenschaften von Materie in den Bereich extremer Bedingungen von Temperatur, Dichte und Druck zu erweitern.

Mit den Experimentiervorrichtungen für APPA kann außerdem getestet werden, wie biologische Systeme auf hochenergetische Strahlung reagieren. Diese Informationen sind wichtig für die bemannte Raumfahrt, weshalb die European Space Agency (ESA) die FAIR-Anlagen als künftiges GroundLab nutzen möchte: Falls Menschen tatsächlich eines Tages zum Mars reisen, werden die Astronauten über eine lange Zeit hinweg einer erhöhten Strahlendosis ausgesetzt sein. Mit Blick auf medizinische Anwendungen soll die Ionenstrahltherapie für die Behandlung bewegter Tumoren und die Einsatzmöglichkeit bei anderen klinischen Indikationen (z.B. Vorhofflimmern) weiterentwickelt werden. Außerdem wollen Biophysiker ein völlig neues Bestrahlungsverfahren entwickeln und erproben, bei dem hochenergetische Protonen zugleich zur Bildgebung und Behandlung von Tumoren eingesetzt werden. Andere Anwendungen der hochenergetischen FAIR Strahlen betreffen die Simulation von Weltraumstrahlung für Tests der Zuverlässigkeit bzw. Fehleranfälligkeit von elektronischen Komponenten und Computerbauteilen, die in Satelliten und Raumstationen eingesetzt werden sollen.

Schematische Grafik des Detektors, er ist aufgebaut aus mehreren Funktionseinheiten, die hintereinander angeordnet sind. Vorne steht zusätzlich eine kleinere, trichterförmige Detektorstruktur.
CBM-Detektor

CBM

CBM Die Forschungssäule CBM – Compressed Baryonic Matter Experiment – zielt auf die Erforschung von Kernmaterie bei sehr hohen Dichten, wie sie zum Beispiel im Inneren eines Neutronensterns vorliegen. Die Masse eines Neutronensterns liegt etwas über der Sonnenmasse, sein Durchmesser beträgt aber nur ungefähr 10 bis 20 Kilometer; d.h. die Materie in einem Neutronenstern ist unvorstellbar hoch verdichtet. Die Theorie der starken Wechselwirkung, die Quanten-Chromodynamik (QCD) sagt für Kernmaterie bei derart hohen Dichten Phasenübergänge in andere Materieformen, z.B. die Auflösung der Nukleonen in sogenannte Quark-Gluon-Materie, voraus.

Im Labor stellen die Forschenden diese Materieform künstlich her, indem sie schwere Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen lassen. In der Kollisionszone, dem sogenannten „Feuerball“ entsteht für extrem kurze Zeitspannen hoch verdichtete Kernmaterie, deren Eigenschaften aus der nachfolgenden explosionsartigen Expansion und den dabei emittierten Teilchen rekonstruiert werden können. Die experimentelle Herausforderung besteht darin, die in der Kollision erzeugten Teilchen zu identifizieren, ihre Impulse zu messen, und ihre Häufigkeit mit bislang unerreichter Präzision zu bestimmen. Viele der für die Interpretation der Ergebnisse wichtigen Teilchen werden allerdings nur sehr selten erzeugt. Um dennoch aussagekräftige Resultate zu produzieren, ist das CBM-Experiment so konzipiert, dass es bei extrem hohen Reaktionsraten betrieben werden kann. Entsprechend sind die CBM-Detektoren, die Auslese-Elektronik und Datenaufnahme auf extrem hohe Datenflüsse und Geschwindigkeit optimiert, bis an die Grenzen des technisch Machbaren. Diese „Big Data Challenge“ ist nur mit Hilfe ultraschneller Computersysteme und des modernen Hochleistungsrechenzentrums zu bewältigen, das bereits am FAIR-Standort errichtet wurde. Das CBM Programm ist komplementär zu den Untersuchungen hoch erhitzter Kernmaterie mit dem ALICE-Detektor am CERN LHC. Während CBM auf Bedingungen ausgelegt ist, die im Inneren von Neutronensternen herrschen, simulieren die Kollisionen im CERN-Beschleuniger LHC die Zustände der Materie kurz nach dem Urknall.

NUSTAR

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration NUSTAR – Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions – wollen herausfinden, über welche Prozesse die schweren Elemente im Universum entstanden sind. Darunter fallen alle Elemente, die schwerer sind als Eisen. Sie bildeten sich in komplexen Kernreaktionsprozessen in den letzten Lebensphasen massereicher Sterne und in gewaltigen Sternexplosionen, so genannten Supernovae, oder auch in Kollisionen von Neutronensternen. Insbesondere hier sind die zugrunde liegenden Kernreaktionen noch weitgehend unerforscht. Hierbei sind viele neutronenreiche und kurzlebige Kerne beteiligt, die auf der Erde nicht vorkommen, sondern nur künstlich an modernen Beschleunigern und Speicherringen – wie sie bei FAIR realisiert werden – erzeugt und untersucht werden können. Um die Prozesse besser zu verstehen, die zur Vielfalt und Häufigkeit der chemischen Elemente im Universum geführt haben, wollen die Forschenden weiter in die Welt der exotischen, neutronenreichen Kerne vordringen und an FAIR erstmals deren Eigenschaften wie Masse, Lebensdauer, Anregungsspektrum etc. im Detail untersuchen. Dabei geht es insbesondere darum, den sogenannten r-Prozess-Pfad, der entlang sehr neutronenreicher Kerne und über anschließenden Betazerfall zur Entstehung der schwersten Elemente, wie zum Beispiel von Gold oder Platin bis hin zum Uran, geführt hat, nachzuvollziehen.

FAIR erlaubt, die astrophysikalischen Entstehungspfade und -prozesse, die bei der Bildung der allerschwersten Elemente jenseits von Blei eine wesentliche Rolle spielen, in Laborexperimenten nachzubilden und unser Wissen über die Entstehung der Elemente erheblich zu erweitern. Diese Reaktionen sind noch weitgehend unverstanden.

Künstlerische Darstellung von drei Quarks als Kugeln in gelb, rot und blau, die wie über eine Art Gummiband verbunden sind. Sie sind von einer kugelförmigen Hülle umgeben.
Gebundene Quarks

PANDA

Das übergeordnete Ziel der PANDA-Säule – Antiproton Annihilation at Darmstadt – ist es, basierend auf der Theorie der Quanten-Chromo-Dynamik (QCD), unser Verständnis der starken Wechselwirkung und der von ihr beherrschten Materie, der sogenannten Hadronen, grundlegend zu verbessern. Zu den Hadronen gehören Protonen und Neutronen, die Grundbausteine der Atomkerne und Mesonen. Allen Hadronen ist gemeinsam, dass sie – durch Gluonen gebunden – aus Quarks aufgebaut sind. In den PANDA-Experimenten lassen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Protonen mit ihren Antiteilchen, den Antiprotonen kollidieren. Aus der dabei frei werdenden Annihilationsenergie können über die Einstein‘sche Masse-Energie Beziehung E = mc2 neue, bislang nicht beobachtete Zustände der starken Wechselwirkung erzeugt werden. Neben den Nukleonen und Mesonen sagt die QCD eine Fülle von exotischen Kombinationen von Quarks, Antiquarks und Gluonen voraus; darunter reine Gluonenzustände: sogenannte Glueballs, Tetra-Quarks, Penta-Quarks, Hybridzustände aus Quarks und Gluonen sowie molekülartige Hadronenzustände. Für deren Existenz gibt es zwar Hinweise, insgesamt aber nur wenige experimentelle Daten. Der hochkomplexe PANDA Detektor ist zusammen mit der sehr guten Energieauflösung der Antiprotonenstrahlen dafür optimiert, solche Zustände zu beobachten und eindeutig zu identifizieren.

Technologietransfer zwischen den Partnerländern

Ein ovalförmiger, silberglänzender Elektromagnet von etwa zwei Metern Höhe, der auf einem Gestell in eine Halle gebracht wird.
GLAD-Magnet

Am Aufbau und dem Betrieb der Experimente sind Forschende sowie Ingenieurinnen und Ingenieure aus über 50 Ländern beteiligt. Sie steuern zum Teil auch neue Entwicklungen und Technologien für die FAIR-Experimente bei. Eine davon ist der supraleitende Magnet GLAD, der für NUSTAR-Experimente geladene Teilchen von ungeladenen trennen wird und dafür keinen schweren Eisenkern benötigt. Ein rund 50-köpfiges Expertenteam hat am französischen Technologie-Forschungszentrum CEA jahrelang an der Entwicklung des GLAD-Magneten gearbeitet, der ein starkes und gleichförmiges Magnetfeld ermöglicht, mit dem besonders masse- und energiereiche Teilchen abgelenkt werden können. Ein anderer wichtiger Beitrag ist der CRYRING aus Schweden, der in Kombination mit abgebremsten exotischen Ionen- oder Antiprotonenstrahlen von FAIR einmalige Experimente zur Kern- und Atomphysik erlauben wird. Der CRYRING wurde am Manne-Siegbahn-Labor in Schweden entwickelt und betrieben. Als Beitrag des Mitgliedlands Schweden gelangte er 2013 nach Darmstadt. Bereits während der Bauphase werden in den internationalen Kollaborationen die theoretischen und technischen Grundlagen für die späteren Experimente geschaffen und damit herausragende Instrumente zur Erforschung der Materie. Das Projekt FAIR verspricht somit nicht nur bahnbrechende Ergebnisse für die Wissenschaft, sondern auch bedeutsame technologische Neuentwicklungen – und all dies in internationaler Zusammenarbeit der besten Forscher und Ingenieure aus den beteiligten Ländern.

Steckbrief FAIR

Typ:

Teilchenbeschleuniger

Technologie:

Doppel-Synchrotron, supraleitende Speicherringe

Standort:

Darmstadt

Betreiber:

FAIR GmbH

Baukosten:

1,262 Milliarden Euro (Preisbasis 2005)

Deutsche Beteiligung:

878 Millionen Euro

Inbetriebnahme:

Stufenweise ab 2022

Länge Ringbeschleuniger:

1,1 Kilometer

Strahlenergie:

Protonen: bis zu 29 Gigaelektronenvolt (GeV)

Ionen: bis 2,7 GeV pro Proton / Neutron im Kern für U28+

Antiprotonen: bis zu 14 GeV

Teilchen pro Puls:

40 000 Milliarden (Protonen) – 500 Milliarden (Uran-Ionen)

Vakuum im Beschleuniger:

5 · 10-12 Millibar

Großexperimente:

4: APPA, CBM, NuSTAR, PANDA

Anzahl der Ionen pro Zyklus:

APPA:    109 ≙ 1 Milliarde U92+-Ionen im Beschleuniger HESR
CBM:     1010 ≙ 10 Milliarden Au79+-Ionen im Beschleuniger SIS 100
NUSTAR:  5 · 1011 ≙ 500 Milliarden U28+-Ionen im SIS 100
PANDA: 1010≙  10 Milliarden gespeicherte Antiprotonen

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF-Roadmap für Forschungsinfrastrukturen
European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI)

Beteiligte Länder:

10: Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Schweden & Slowenien