Was bringt

Max Camenzind – Akademie HD – 2017

Mit Material aus einem Vortrag von Günther Rosner

Die GSI besteht seit 1969 und betreibt eine weltweit einzigartige

Beschleunigeranlage für Ionenstrahlen. Das Forschungsprogramm der

GSI umfasst ein breites wissenschaftliches Spektrum, das von Kern- und

Atomphysik über die Plasmaphysik bis hin zur Materialforschung reicht.

GSI – Bisherige Anlage

Ringbeschleuniger SIS18

Foto: A. Zschau, GSI Helmholtzzentrum

für Schwerionenforschung GmbH

Speicherring ESR

Der Experimentierspeicherring ESR hat einen Umfang von 108 Metern. Ionen, die zuvor im

Linearbeschleuniger UNILAC und im Ringbeschleuniger SIS18 beschleunigt wurden,

können im ESR mit hohen Geschwindigkeiten, das bedeutet mehrere Millionen Umläufe pro

Sekunde, gespeichert und zum Experimentieren genutzt werden. Durch so genannte Kühlung

der gespeicherten Ionen, können Experimente mit allerhöchster Präzision durchgeführt

werden. Durch den Einsatz des Fragmentseparators FRS können auch neue Teilchen, z.B.

neue Isotope, im ESR gespeichert und hochpräzise vermessen werden.

Erweiterung FAIR = Facility for Antiproton and Ion Research

Baustart für Teilchenbeschleuniger in Darmstadt Juli 2017

Das wohl größte und teuerste Bauprojekt, das Darmstadt auf lange

Sicht erleben wird, hat mit dem offiziellen Spatenstich begonnen:

Seit wenigen Tagen laufen die Tiefbauarbeiten für den

Teilchenbeschleuniger Fair im Norden der Stadt. Ein Verbund von

Forschungsgesellschaften aus neun Ländern lässt dort auf einem

rund 20 ha großen Gelände für fast 1,4 Mrd. Euro eine Anlage

errichten, die Atome nahezu auf Lichtgeschwindigkeit

beschleunigen kann.

Die dadurch möglichen Experimente sollen die Erforschung kleinster

Elementarteilchen voranbringen und Grundlagen sowohl für

Erkenntnisse über das Weltall als auch für die Materialforschung

liefern. Bis die Anlage 2022 teilweise und 2025 ganz in Betrieb

gehen kann, müssen rund 2 Mio. Kubikmeter Erde bewegt sowie

600.000 Kubikmeter Beton und 65.000 t Stahl verbaut werden.

Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,

15.2.12 8

RHIC – Rel. Heavy Ion Collider

Protonen: bis zu 500 GeV / Goldionen: bis zu 200 GeV/Nukleon

Intersecting storage ring mit Umfang: 3834 m / p+p, p+Au, Au+Au, d+Au, …

FAIR-Beschleunigeranlage

FAIR-Beschleunigeranlage

Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12

SIS18

SIS100/300

p-Linac

HESR

CR & RESR

NESR CryRing

100 m

FAIR-Herausforderungen Grundlagenforschung o Kern- und Teilchenphysik o Astrophysik o Atomphysik o Plasmaphysik

Angewandte Forschung o Materialwissenschaften o Biophysik/Medizin o Weltraumforschung

FAIR-Eigenschaften o Derzeit größtest Projekt

der Kern- und Teilchenphysik (> 1 Milliarde € Invest.mittel)

o Kompakte Bauweise durch Ringbeschleuniger

o Millionenfache Nutzung des Strahls in Speicherringen

Hochtechnologie-Entwicklung o Effiziente, schnelle

Teilchenbeschleuniger o Hochauflösende

Magnetspektrometer o Empfindliche Licht- und Teilchen-

Detektoren o Hochvakuum-Technologie o Schnelle elektronische

Datenerfassung o Energie-effiziente

Computertechnologie

Schnelle Beschleunigung Ferrit & MA Kavitäten

Großer Gradient, variable Frequenz

Kompakt & kosteneffektiv Supraleitende Magnete

dB/dt ~ 4T/s

Hohe Strahlqualität Elektronen & stochastische Kühlung

XHV @ Hoher Strahlintensität Hochvakuum ~10-13 mbar

Beschleuniger - Technologie

Skalen des Universums

Materie

10-1 m

Kristall

10-9 m

Atom

10-10 m

Atomkern

10-14 m Nukleon

10-15 m

DNA

10-8 m

Quarks

< 10-18 m

Galaxie

1021 m 1.000.000.000.000.000.000.000 m

1 m

0,000.000.01 m

0,000.000.000.1 m

0,000.000.000.000.01 m

0,000.000.000.000.000.001 m

100.000.000 m Sterne, Planeten

108 m

Periodensystem Teilchenwelt

Es gibt einige Rätsel I 1) Vakuumenergie des Mikrokosmos unterscheidet

sich um ca. 10120 von der des Makrokosmos.

2) Unser Universum enthält nur Teilchen, keine Antiteilchen.

3) Neutrinos sind nicht masselos.

4) Elementare Bausteine besitzen extrem unterschiedliche Massen.

Es gibt einige Rätsel II 5) Quarks kommen nicht in freier Natur vor. Sie sind

in stark wechselwirkenden, nicht elementaren Teilchen (Hadronen) zu zweit oder dritt eingesperrt.

u d

u

Proton (p)

938 MeV/c2

u d

d

Neutron (n)

939 MeV/c2

u

d

π- 140 MeV/c2

Baryonen Mesonen

Es gibt einige Rätsel III 6) Normale (schwere) Materie (wir) besteht aus

fast masselosen „up“ und „down“ Quarks.

99% der Masse des sichtbaren Universums ist eigentlich Energie!

X

Quanten-Chromo-Dynamik

QED:

QCD:

Aufbau der (Quanten-)Materie

LHC @ CERN RHIC

FAIR

FAIR-Experimente: PANDA

PANDA

PANDA = Anti-Proton ANnihilation

@ DArmstadt

Exotische Hadronen

PANDA @ FAIR

Anti-Proton Annihilation @ DA

PANDA

Exotische Mesonen

QCD Gitterrechnungen

Schwere Energiebälle

• Exotische “Gluebälle”, (Oddballs) mit für normale Mesonen verbotenen Quantenzahlen – m(2+-) = 4.140 GeV

– m(0+-) = 4.740 GeV

• Lange Lebensdauern von QCD-Gitterrechnungen vorhergesagt.

Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509

Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043

Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,

15.2.12 29

Glueball

FAIR-Experimente: CBM

CBM

CBM = Compressed

Baryonic Matter

Au + Au Kollision QGP

Diagnostische Sonden der dichten Phase

Bisher keine Messung bei FAIR Energien

Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie

Baryonendichte

Quark-Gluonen-Plasma QGP

NStar

Mergers

Hohe Baryonendichte @ CBM

Kernkräfte nur bekannt bis etwa zweifacher Kerndichte.

In Neutronensternen kommen Zentraldichten bis zu

8-facher Kerndichte vor.

Kerndichte =

0,16 / fm³

Dichte in Atomkernen

arXiv:0904.4080

Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12

arXiv:1707.04966

Zustandsgleichung in NSternen

Die meisten EoS sind falsch!

?

?

Grafik: Camenzind

Zustandsgleichung NSterne

arXiv:1707.04966

Neutron Fluid

zu steif

Interpolierte

Quark-Materie

gV:

Effektive

Repulsive

Quark-WW

NSterne: Masse vs. Zentraldichte

arXiv:1707.04966

Der typische Neutronenstern

enthält Neutronenflüssigkeit

NStern: Masse-Radius Relation

arXiv:1707.04966

Nur massereiche NSterne

enthalten QGP im Zentrum

FAIR-Experimente: NuSTAR

NuSTAR

Super-FRS

NuSTAR = Nuclear Structure,

Astrophysics, & Reactions

FRS vs Super-FRS im Vergleich

FRS

Super-FRS

150m

Kernstück der NuSTAR

Anlage ist der supraleitende

Fragment Separator (Super-

FRS), mit dessen Hilfe

exotische Kerne bis hin zu

Uran bei relativistischen

Energien produziert und

isotopenrein separiert werden

können. Da dieser Vorgang

nur wenige Hundert

Nanosekunden dauert,

ermöglicht er den Zugang zu

sehr kurzlebigen Kernen.

Nuklidkarte

Elementsynthese in Sternen

Anzahl der Neutronen

Anzahl der

Pro

tonen

Fe Pfad der Elementsynthese in Sternexplosionen (Supernova)

Elementsynthese NuSTAR

FAIR-Experimente: APPA

APPA

APPA = Atomic,

Plasma Physics & Applications

Plasmen

Plasmen

Teilchen / cm3

Tem

pera

ture

[e

V]

Jupiter

Laser

Heating

Sun Surface

Magnetic Fusion

solid state

density

PHELIX

Sun Core

Inertial

Fusion

Energy

XFEL

SIS 18

Ion Beam

Heating

SIS

100 FLASH

Tests Quantenelektrodynamik

In wasserstoffähnlichen

Ionen steigt die

elektrische Feldstärke

mit der Kernladung.

Experimente an

schweren

hochgeladenen Ionen

eignen sich somit

besonders gut für

Präzisionstests der

Quantenelektrodynamik

in starken elektrischen

Feldern.

Starke elektromagnetische Felder

10-15 s Pulse

Laser

(adapted from Mourou, Tajima, Bulanov, RMP 78, 2006)

Schwerionen

10-21 s Pulse

entspricht I ≥ 1028 W/cm2

Paritätsverletzung

PS

PNWFS

EE

QG

522/

Mischung zwischen Zuständen entgegengesetzter Parität:

Energy levels of He-like uranium

2E1 (PNC)

N

N

e

e

Z e

e N

N

Kleine Energiedifferenz!

Nuklearmedizin

Kleinzelliges Lungenkarzinom

12C Therapie

@ GSI

Adenoid-zystisches Karzinom

Zeitlicher Ablauf

2018 2017 2019 2022 2021 2020

6

Bauanträge

Baustelleneinrichtung

Ausschreibungen Bau

Bau der Beschleuniger- und Detektorkomponenten

Fertigstellung Rohbau

Installation Beschleuniger und Detektoren

1. Datennahme

7 10 8

2023 2024 2025

12

6

7

8

9

11

12

10

11 9 End- ausbau