Fotomontage: mehrere moderne, weiße Laborgebäude in einer waldigen Landschaft verteilt

ion42/GSI/FAIR

Hell erleuchteter Raum, in dem ein Techniker an einer halbrunden, stark verkabelten Gestell arbeitet

J. Hosan/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Wissenschaftler arbeitet an einem geöffneten, weißen Zylinder, in dem sich Apparaturen befinden

J. Hosan/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Computerraum mit großen Serverschränken, in denen gelbe Lampen brennen; im Hintergrund sitzt ein Techniker auf einem Stuhl

Thomas Ernsting, HA Hessen Agentur GmbH

FAIR – Das Universum im Labor

In Darmstadt entsteht in einer internationalen Zusammenarbeit das gigantische Teilchenbeschleuniger-Zentrum FAIR. Mit extrem intensiven Strahlen aus Antiprotonen und Ionen werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kleinste Teilchen erforschen und das Universum im Labor untersuchen. Die Anlage wird ein enormes Repertoire an verschiedenen Experimenten aufweisen.

  • Ort:
    Darmstadt

  • Baukosten:
    1,262 Milliarden Euro (Preisniveau 2005)

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    etwa 3000

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland, Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Schweden, Slowenien, Tschechische Republik, Vereinigtes Königreich

  • Ziel:
    Struktur von Materie und Entstehung des Universums erforschen

  • Anwendungsbeispiel:
    Testapparaturen für Satelliten und Raumfahrtkomponenten

  • Gerätetyp:
    Teilchenbeschleuniger

  • Messmethode:
    Detektion verschiedenster Teilchen nach Reaktionen

  • Untersuchungsobjekt:
    Antiprotonen, Ionen

  • Bauphase:
    2011 bis 2025

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    FAIR GmbH

  • Größe:
    1,1 Kilometer langer Ringbeschleuniger

  • Experimentdetails:
    Bis zu 10 Milliarden gleichzeitig kreisende Antiprotonen und bis zu 500 Milliarden Ionen

Welche Erkenntnisse FAIR liefert

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.

Damit die Forschenden dieses Ziel erreichen, ist FAIR als Multifunktions-Beschleunigeranlage konzipiert. Das heißt: Forschende können verschiedenste Experimente parallel mit den besonderen Ionen 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 dem sie neuartige Messverfahren und Detektoren entwickeln.

Um aus diesen Experimenten Informationen zu gewinnen, müssen sie eine weitere große experimentelle 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. Sie erstrecken sich von atomarer Präzision bis hin zu Materialveränderungen in biologischem Gewebe. Es erlaubt neue 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. Mit Tests, wie Zellen und Organe auf diese Strahlen reagieren, können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Sicherheit für die bemannte Raumfahrt verbessern. Außerdem eignen sich Ionenstrahlen und Protonen, um Tumore zu behandeln und zu beobachten.

 

CBM

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

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. Sein Durchmesser beträgt nur ungefähr zehn bis zwanzig Kilometer. 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, das 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 wie sie 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: Seine Bestandteile, Quarks und die sogenannten Klebeteilchen, die Gluonen, bilden neue Zustände und Kombinationen. Sie kleben sozusagen in vielen neuen verschiedenen Variationen zusammen. Außerdem wiegt ein Proton fünfzigmal mehr als seine Einzelteile. Warum das so ist, dem gehen die Physikerinnen und Physiker nach. Sie beschreiben diese Effekte mit physikalischen Modellen, die sie mithilfe des PANDA-Experiments prüfen können.

Wie FAIR funktioniert

Die FAIR-Anlage befindet sich unmittelbar am GSI Helmholtz-Zentrum. 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.

Wissenschaftlerin arbeitet an der runden Öffnung eines großen Gerätes, dessen Inneres erleuchtet ist

Kryotestanlage

Anschließend gelangen die ultraschnellen Ionen zu den Speicherringen und Experimentierstationen. 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. Damit entschlüsseln sie an den vier großen FAIR-Experimenten die spannenden Rätsel zu Atomen, ihrem Zerfall, Antimaterie und der Materie im Weltall.

Wer an FAIR beteiligt ist

Wissenschaftler mit Schutzhelm arbeitet an einer Apparatur, die mit einem großen, metallenen tankartigen Gegenstand verbunden ist

GLAD-Magnet

Insgesamt neun Partnerländer und ein assoziiertes Mitglied sind Teil des völkerrechtlichen Abkommens (FAIR Convention) und damit am Bau der Beschleunigeranlage beteiligt. Mit über einer Milliarde Euro entsteht hier ein international namhafter Forschungspark mit weltweit einzigartigen und exzellenten Experimentiermöglichkeiten. Der Hauptgeldgeber, die Bundesrepublik Deutschland, ist mit rund siebzig Prozent an den Baukosten beteiligt. Der Bund und das Land Hessen stellen dafür rund 878 Millionen Euro bereit. Außerdem fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 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. Hierfür hat das Bundesforschungsministerium von 2012 bis heute zusätzlich 45 Millionen Euro bereitgestellt. 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 Stockhholm entwickelt und gelangte 2013 als Schwedens Beitrag nach Darmstadt.

Was gerade an FAIR passiert

Luftausnahme einer kreisrunden Baustelle in einer waldigen Landschaft

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 besten Forscherinnen und Forscher mit Ingenieurinnen und Ingenieuren der beteiligten Länder.

Die derzeitige Planung sieht vor, dass ein Großteil der Anlage ab 2024/2025 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 dreitausend Forschenden aus über fünfzig Ländern zur Verfügung stehen.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/teilchen/fair/