Die neue Beschleunigeranlage von FAIR

Die neue Beschleunigeranlage FAIR am GSI wird eine nie dagewesene Vielfalt an Experimenten ermöglichen. In dem großen Beschleunigerkomplex werden bis zu fünf Forschungsprogramme mit unterschiedlichen Anforderungen parallel durchgeführt werden können, was hocheffiziente und zugleich kostensparende Spitzenforschung auf verschiedenen Feldern garantiert.

Schon heute betreibt das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung eine Beschleunigeranlage für Ionenstrahlen, an der weltweit einzigartige Forschungsmöglichkeiten existieren. Herausragende Erfolge waren unter anderem die Entdeckung sechs neuer chemischer Elemente und die Entwicklung einer neuartigen Krebstherapie mit Ionenstrahlen.

Die neue geplante Anlage FAIR liefert, aufbauend auf der existierenden Anlage, Ionenstrahlen aller Art von Protonen bis zu Uran. Die Ionenstrahlen können in einem großen Energiebereich bis 30 AGeV (AGeV entspricht Giga-Elektronenvolt pro Nukleon), das entspricht etwa 95 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, und mit bisher unerreichter Intensität erzeugt werden. Mit energiereichen und intensiven Ionenstrahlen können darüber hinaus sogenannte Sekundärstrahlen erzeugt werden. Sekundärstrahlen sind Strahlen aus Teilchen, die auf der Erde natürlicherweise nicht vorkommen. Sie werden erzeugt, indem stabile Ionen auf Materialfolien geschossen werden. Dabei werden die Atomkerne in unzählige Bruchstücke fragmentiert. Einige dieser Bruchstücke entsprechen dann genau den Teilchen, mit denen experimentiert werden soll. Am GSI interessieren vor allem extrem protonen- und neutronenreiche Atomkerne und die Antiteilchen der Protonen, die Antiprotonen. Sekundärstrahlen werden an der neuen Anlage mit bis zu 10.000-fach höherer Intensität als bisher produziert werden. Mit so genannten Kühltechniken wird es darüber hinaus möglich sein, die unvermeidbare Unschärfe der Strahlen erheblich zu reduzieren und somit eine tausendfach höhere Genauigkeit für eine höchste Präzision aller Strahlsorten zu erreichen.

Was macht man damit?

Die hohe Vielfalt an unterschiedlichen Strahlen bildet die Grundlage für die verschiedenen multidisziplinären Forschungsprogramme, die an der zukünftigen Anlage durchgeführt werden sollen. Die hohe Intensität ermöglicht immer empfindlichere Experimente, die immer seltenere Phänomene aufspüren können. Außerdem können durch derart intensive Strahlen stabiler Ionen Sekundärstrahlen erzeugt werden. Die Intensität der Sekundärstrahlen wird bis zu einem Faktor 10.000 höher liegen als bisher, womit sich eben 10.000-fach seltenere Phänomene in der Natur entdecken und untersuchen lassen. Durch die hohe Präzision aller Strahlen, erreicht durch Strahlkühlungsverfahren, können erstens genauere Messergebnisse erzielt werden und zweitens sehr seltene Phänomene überhaupt erst beobachtet werden, die bei fehlender Genauigkeit nicht von anderen Effekten zu trennen wären.

Welches Experiment braucht was?

Vorbeschleuniger und neuer Beschleunigerkomplex von FAIR

Herzstück der neuen Anlage ist ein Doppelringbeschleuniger, bestehend aus zwei sogenannten Synchrotrons SIS100 und SIS300. Er wird von der existierenden Anlage, dem Linearbeschleuniger UNILAC und dem Synchrotron SIS18, gespeist.

Die höchsten Energien werden erreicht, wenn Ionen erst im SIS100 und anschließend im SIS300 weiterbeschleunigt werden. Von dort können die Ionen in den Experimentierplatz CBM eingeschossen werden.

Ionenstrahlen mit höchster Intensität aus dem SIS100 werden zur Erzeugung von Sekundärstrahlen benutzt. Werden von dort die Ionen zum sogenannten Super-Fragment-Separator Super-FRS gelenkt, so können dort Sekundärstrahlen protonen- und neutronenreicher Atomkerne produziert werden, die sogenannten Rare Isotope Beams (RIB). Diese werden dann in verschiedenen Experimentierplätzen (high/low energy Cave) oder im Neuen-Experiment-Speicher-Ring NESR für Experimente genutzt.

Mit hochintensiven Strahlen von Protonen aus dem SIS100 können am Antiprotonenseparator Antiprotonen erzeugt werden. Im Collector-Ring CR und dem RESR werden sie zu einem Strahl gebündelt und gekühlt. Von dort werden sie dann in den Hochenergie-Experiment-Speicher-Ring HESR für Experimente am Messplatz PANDA eingespeist.

Ionenstrahlen aus dem SIS100 oder dem SIS18 können direkt zum Experimentplatz der Plasmaphysik (PP) gelenkt werden. Für dortige Experimente kann im SIS100 mit speziellen Pulskompressoren der Strahlpuls bis auf etwa zehn Nanosekunden verkürzt werden, um Pulse höchster Leistung zu erhalten. Alternativ zu extrem leistungsstarken Laserpulsen erzeugen die leistungsstarken Ionenpulse beim Beschuss auf Materie Plasmen hoher Temperaturen und Drücke für das Forschungsgebiet der Plasmaphysik.

Atomphysikalische Experimente finden zum Großteil im NESR statt. Für einige Experimente werden niederenergetische Antiprotonenstrahlen genutzt, die im NESR auf niedrigst mögliche Geschwindigkeiten abgebremst werden. Für andere atomphysikalische Fragestellungen werden hochgeladene schwere Ionen aus dem SIS18 oder SIS100 benötigt. Die hohe Ladung der Ionen wird durch sogenannte Stripperfolien hinter dem SIS18 erzeugt. In einem anderen Atomphysikmessplatz (AP) können Strahlen aus dem SIS18 oder SIS100 direkt für Materialforschung und biophysikalische Experimente, die weitgehend auf atomphysikalischen Effekten beruhen, genutzt werden.

Das Konzept dieses einzigartigen Komplexes bringt beispiellose technische Herausforderungen beim Bau und Betrieb mit sich. Physiker erhoffen sich durch diese Anlage vollkommen neue Einblicke in die Struktur der Materie und die Evolution des Universums. Die geplante Anlage wird somit mit seinen wissenschaftlichen und technischen Herausforderung einen wichtigen Beitrag zur Sicherung des Forschungs- und Technikstandorts Deutschland liefern.