FAIR – Das Universum im Labor

Mit FAIR ist derzeit das Multitalent unter den weltweiten Teilchenbeschleunigern im Bau: Die Anlage wird hochintensive Strahlen aus leichten Teilchen, wie Protonen und Antiprotonen, bis hin zu schweren Atomkernen, wie Uran, bereitstellen.

Damit steht den Hadronen- und Kernphysikerinnen und -physikern bald eine gigantische Anlage für breitgefächerte Forschungsprogramme mit einmaligen Experimentiermöglichkeiten zur Verfügung. Sie werden erstmals Forschungen an seltenen, exotischen Kernen mit hoher Präzision durchführen. In der Plasmaphysik sowie für Anwendungen in der Materialforschung, Weltraumphysik und Strahlenmedizin verspricht das zahlreiche spannende Entdeckungen.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist FAIR als Multifunktions-Beschleunigeranlage konzipiert. Das heißt: Forschende können verschiedenste Experimente parallel mit den besonderen Teilchen versorgen und betreiben. Diese vier Experimente: APPA, CBM, NUSTAR und PANDA stellen die Säulen der Anlage dar. Für jede Säule haben sich Forschende in einem internationalen Forschungsverbund, einer sogenannten Kollaboration, zusammengeschlossen. In diesen entwickeln sie unter anderem neuartige Messverfahren und Detektoren und führen Experimente durch.

Um aus diesen Experimenten Informationen zu gewinnen, müssen sie eine weitere große Herausforderung überwinden: die erzeugten Teilchen bei sich extrem schnell wiederholenden Reaktionen identifizieren, messen und auswerten. Dies ist nur mithilfe ultraschneller Computersysteme und des modernen Hochleistungsrechenzentrums, das bereits am Standort errichtet wurde, zu bewältigen.

APPA

Das Forschungsprogramm von APPA (Atom-, Plasma Physik und Anwendungen) deckt eine große Bandbreite an Experimenten ab – zu grundlegenden Prozesse in Atomen, Materialveränderungen in Festkörpern bis hin zu Analysen von biologischem Gewebe. Mittels neuer Zugänge zur Quantenelektrodynamik, zum Verhältnis von Teilchen zu Antiteilchen und zur Relativitätstheorie. So wird es wesentliche Puzzlestücke zu den Grundlagen der Atomphysik hinzufügen. APPA kann außerdem extrem heiße Plasmen erzeugen und auf diese Weise das Innere von großen Planeten und Sternen nachbilden. Indem sie sozusagen das Universum ins Labor holen, werden die Forscherinnen und Forscher die Plasmaphysik besser verstehen. Auch für Raumfahrt und Medizin sind die Experimente mit der intensiven Strahlung wichtig – etwa um zu analysieren, wie sich Strahlung auf technische Geräte und den menschlichen Körper auswirken. Außerdem werden Verfahren entwickelt, um mit Ionen- und Protonenstrahlen Tumore zu behandeln.

CBM

CBM-Detektor

Die Forschungssäule CBM – Compressed Baryonic Matter Experiment – zielt auf die Erforschung von Kernmaterie bei sehr hohen Dichten. Solche Bedingungen liegen zum Beispiel im Inneren eines Neutronensterns vor. Die Masse eines Neutronensterns liegt über der Sonnenmasse, während sein Durchmesser nur ungefähr zehn bis zwanzig Kilometer beträgt. Die Materie in einem Neutronenstern ist also extrem zusammengepresst. Was dort passiert, ist weitgehend unbekannt. Ob sich bisherige physikalische Modelle bestätigen, die eine extrem dichte „Elementarteilchensuppe“ mit frei beweglichen Elementarteilchen voraussagen, ist Gegenstand der Untersuchungen am CBM-Experiment. 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, die wie bei einer Explosion auseinanderfliegt. Aus der Explosion und den entstehenden Teilchen berechnen die Forschenden dann die ursprünglichen Eigenschaften.

NUSTAR

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration NUSTAR – Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions – wollen herausfinden, wie Elemente schwerer als Eisen entstanden sind. Bisher weiß man, dass dafür komplexe Reaktionen der Atomkerne erforderlich sind. Solche Reaktionen finden am Lebensende massereicher Sterne, während gewaltiger Sternexplosionen, sogenannten Supernovae, oder bei Kollisionen von Neutronensternen statt. Doch diese Kernreaktionen sind noch weitgehend unerforscht. Die beteiligten Atomkerne bestehen aus vielen Neutronen und zerfallen schnell in andere Kerne. Deshalb kommen sie nicht natürlich vor, lassen sich aber an modernen Beschleunigern und Speicherringen – wie denen bei FAIR – künstlich erzeugen. Mit NUSTAR untersuchen die Forschenden erstmals ihre Eigenschaften. Sie untersuchen im Detail, wie schwer und kurzlebig die Atomkerne sind, wie sie entstehen und zerfallen.

PANDA

Die letzte der vier Säulen von FAIR, das Proton Antiproton Annihilation at Darmstadt Experiment PANDA, untersucht eine der vier grundlegenden Kräfte in der Physik: die sogenannte starke Wechselwirkung. Sie ist verantwortlich für den Zusammenhalt der Bestandteile von Atomkernen: den Protonen und Neutronen. Um diese Kraft zu untersuchen, lassen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Protonen mit ihren Antiteilchen aufeinanderprallen. Diese sogenannten Antiprotonen und die Protonen vernichten sich dabei gegenseitig. Bereits Einstein sagte mit seiner berühmten Formel E = mc² voraus, dass dabei Energie entstehen würde. Diese Energie führt zu spannenden neuen Effekten: Die Bestandteile der Antiprotonen und Protonen, Quarks und die sogenannten Klebeteilchen – die Gluonen – bilden neue Zustände und Kombinationen. Sie kleben sozusagen in vielen neuen verschiedenen Variationen zusammen. Mit dem PANDA-Experiment untersuchen Physikerinnen und Physiker diese Zustände sowie weitere Phänomene – etwa weshalb ein Proton 50 Mal mehr als seine Einzelteile wiegt.

Die FAIR-Anlage befindet sich unmittelbar am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Zunächst baut das GSI seine bestehenden Beschleuniger aus, die später als Injektoren für die deutlich vielseitigere und leistungsstärkere FAIR-Anlage dienen. Von dort gelangen die schnellen Ionen in das neue große Schwerionensynchrotron SIS 100 mit einer 1,1 Kilometer langen Kreisbahn und werden stark beschleunigt. Je nach Teilchenart erreichen sie eine Energie zwischen einem und 29 Milliarden Elektronenvolt. Um sie auf ihrer Bahn zu halten, benötigt die Anlage über hundert supraleitende Dipolmagnete. Jeder von ihnen misst knapp drei Meter Länge und wiegt drei Tonnen. Ein einzelner solcher Magnet erzeugt ein Magnetfeld 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.

Kryotestanlage

Anschließend gelangen die ultraschnellen Ionen zu den Speicherringen und Experimentierstationen, wo sie für Exprimente innerhalb der vier großen FAIR-Säulen genutzt werden. Die Forscherinnen und Forscher lenken sie dort auf sogenannte Targets, das sind Proben aus einem speziell ausgewählten Material. Durch Reaktionen der beschleunigten Teilchen mit den Atomen dieses Targets entstehen unter anderem seltene Atomkerne, die binnen Sekundenbruchteilen wieder zerfallen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen die Zerfallsprodukte und nutzen sie für weitere Experimente. Für Letzteres nutzen sie nicht nur die zerfallenen Atomkerne, sondern auch Antiprotonen, die elektrisch negativ geladenen Antiteilchen der Protonen.

GLAD-Magnet

Insgesamt neun Partnerländer und ein assoziiertes Mitglied sind Teil des völkerrechtlichen Abkommens (FAIR Convention) und damit am Bau der Beschleunigeranlage beteiligt. Ein weiteres Land ist Anwärter auf eine Beteiligung. Mit über drei Milliarden Euro entsteht hier ein international namhafter Forschungspark mit weltweit einzigartigen und exzellenten Experimentiermöglichkeiten. Der Hauptgeldgeber, die Bundesrepublik Deutschland, ist zum überwiegenden Teil an den Baukosten beteiligt und stellt gemeinsam mit dem Land Hessen die Mittel bereit. Außerdem fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) maßgeblich die Entwicklung und den Bau der Experimente. Den Rahmen dazu bietet die Projektförderung zur Vernetzung von Hochschulen, Forschungsinfrastrukturen und Gesellschaft ErUM-Pro. Durch sie fördert das BMBF die Kooperationen einer oder mehrerer Forschungsgruppen an Hochschulen mit der Forschungsanlage. Erhebliche Zusatzfinanzierungen für das Experimentierprogramm hat das Land Hessen über das LOEWE-Exzellenzprogramm beigesteuert. Auch der wissenschaftliche Nachwuchs profitiert von dem Großprojekt: Die Helmholtz-Gemeinschaft ebenso wie das BMBF treiben die Ausbildung junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler voran.

Am Aufbau und dem Betrieb der Experimente sind Forschende sowie Ingenieurinnen und Ingenieure aus über fünfzig Ländern beteiligt. Sie steuern neue Entwicklungen und Technologien für die FAIR-Experimente bei. Eine davon ist der supraleitende Magnet GLAD, den ein rund fünfzigköpfiges Expertenteam in Frankreich für NUSTAR-Experimente entwickelt hat. Mit einem starken Magnetfeld wird er massereiche, geladene Teilchen von ungeladenen trennen können. Ein anderer wichtiger Beitrag ist der sogenannte CRYRING, der einmalige Experimente zur Kern- und Atomphysik an FAIR erlauben wird. Er wurde in Stockholm entwickelt und gelangte 2013 als Schwedens Beitrag nach Darmstadt.

FAIR-Baustelle

Nachdem 2010 das Abkommen zur Beschleunigeranlage FAIR in Wiesbaden unterzeichnet worden war, begannen 2012 die Vorbereitungen für den Bau. Bereits während der noch andauernden Bauphase schaffen zahlreiche internationale Kollaborationen die theoretischen und technischen Grundlagen für die späteren Experimente. Sie entwickeln Instrumente, um die wissenschaftlichen Fragestellungen zu lösen und bahnbrechende Ergebnisse zu erzielen. Neben den Errungenschaften, die FAIR für die Grundlagenforschung ermöglicht, entstehen in diesem Prozess bedeutsame technologische Neuentwicklungen. All dies geschieht in internationaler Zusammenarbeit der Forscherinnen und Forscher mit Ingenieurinnen und Ingenieuren der beteiligten Länder.

Die derzeitige Planung sieht vor, dass ein Teil der Anlage ab dem Jahr 2028 in Betrieb geht. Zu diesem Zeitpunkt werden die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit einer Vielzahl von Experimenten beginnen können. Gleichzeitig werden die Arbeiten an FAIR weitergeführt, um das volle Potenzial der Anlage auszuschöpfen. FAIR wird als internationales Gastlabor rund 3000 Forschenden aus über 50 Ländern zur Verfügung stehen.