Reise ins Innerste der Materie

Reise ins Innerste der MaterieForschung an der neuen

Teilchenbeschleunigeranlage

Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1

Facility for Antiproton and Ion Research


UNILAC

SIS18

SIS100/300

p-Linac

HESR

CR &RESR

NESR CryRing100 m

GSI FAIR

FAIR-Beschleunigeranlage


Grundlagenforschungo Kern- und Teilchenphysiko Astrophysiko Atomphysiko Plasmaphysik

Angewandte Forschungo Materialwissenschafteno Biophysik/Medizino Weltraumforschung

FAIR-Eigenschafteno Derzeit größtest Projekt

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

o Kompakte Bauweise durchRingbeschleuniger

o Millionenfache Nutzungdes Strahls in Speicherringen

Hochtechnologie-Entwicklungo Effiziente, schnelle

Teilchenbeschleunigero Hochauflösende

Magnetspektrometero Empfindliche Licht- und Teilchen-

Detektoreno Hochvakuum-Technologieo Schnelle elektronische

Datenerfassungo Energie-effiziente

Computertechnologie

4

Schnelle BeschleunigungFerrit & MA Kavitäten

Großer Gradient, variable Frequenz

Kompakt & kosteneffektivSupraleitende Magnete

dB/dt ~ 4T/s

Hohe StrahlqualitätElektronen & stochastische Kühlung XHV @ Hoher Strahlintensität

Hochvakuum ~10-13 mbar

Beschleuniger

Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12

Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12Günther Rosner

Skalen des Universums

Materie10-1 m

Kristall10-9 m

Atom10-10 m

Atomkern10-14 mNukleon

10-15 m

DNA10-8 m

Quarks < 10-18 m

Galaxie1021 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 mSterne, Planeten108 m

5

Elementare Bausteine


Rätsel I1) 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.


Rätsel II5) 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

ud

π- 140 MeV/c2

Baryonen Mesonen

Rätsel III6) Normale (schwere) Materie besteht aus fast

masselosen „up“ und „down“ Quarks.

99% der Masse des sichtbaren Universums ist eigentlich Energie!


Quanten-Chromo-Dynamik


QED:

QCD:

Aufbau der (Quanten-) Materie


LHC @ CERN

FAIR

12

FAIR-Experimente: PANDA


PANDA

Exotische Hadronen


PANDA @ FAIR

14

Anti-Proton Annihilation @ DA


PANDA

15

Exotische Mesonen


QCD Gitterrechnungen

16

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)34509Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043

17

FAIR-Experimente: CBM


CBM

Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 18

Hadronen in Kernen• Vorhersage: Änderung der

Hadronenmasseo aufgrund partieller

Wiederherstellung der Chiralen Symmetrie Leichte Quarks sensitiv auf Quark-

Kondensat im Vakuum Mesonen mit schwereren Quarks

sensitiv auf Gluonen-Kondensat Spontane Symmetriebrechung

Günther Rosner

Vakuum Kern

p

K

25 MeV

100 MeV

K+

K-

p-

p+

Hayaski, PLB 487 (2000) 96Morath, Lee, Weise, priv. Comm.

D-50 MeV

D

D+

Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie



Hohe Baryonendichte @ CBM

Günther Rosner

Diagnostische Sonden der dichten Phase

Bisher keine Messung bei FAIR Energien

23

FAIR-Experimente: NuSTAR


NuSTAR

Super-FRS


FRS und Super-FRS im VergleichFRS

Super-FRS

150m

24


Nuklidkarte

25


Elementsynthese in Sternen

Anzahl der Neutronen

Anza

hl d

er P

roto

nen

Terra Incognita

Terra Incognita

Terra Incognita

FePfad der Elementsynthese inSternexplosionen (Supernova)

r-Prozessrp-Prozes

s

26

NuSTAR


28

FAIR-Experimente: APPA


APPA

Plasmen


Teilchen / cm3

Tem

pera

ture

[eV

]

Jupiter

LaserHeating

Sun Surface

Magnetic Fusion

solid statedensity

PHELIXSun Core

Inertial Fusion Energy

XFEL

SIS 18

Ion BeamHeating

SIS 100

Strongly coupled

plasmasIdeal plasmas

FLASH

Große elektromagnetische Felder


10-15 s Pulse

Laser

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

Schwerionen

10-21 s Pulse

entsprichtI ≥ 1028 W/cm2

Paritätsverletzung


PS

PNWFS

EE

QG

-

522/

Mischung zwischen Zuständen entgegengesetzter Parität:

Energy levels of He-like uranium

2E1 (PNC)

NN

ee

Zee

NN

Kleine Energiedifferenz!

Nuklearmedizin


Kleinzelliges Lungenkarzinom12C

Therapie@ GSI

Adenoid-zystisches Karzinom

ESA @ GSI & FAIR


GCR Charge Contributions

Charge Number0 5 10 15 20 25 30

% C

ontr

ibut

ion

0.001

0.01

0.1

1

10

100

FluenceDoseDose Eq.

Free Space

Durante & Cucinotta, Nature Rev. Cancer (2008)


Modularisierte Startversion

Günther Rosner

APPA

CBM/HADES

NuSTAR

PANDAExperimente

M1: APPAM1: CBM/HADESM2: NuSTARM3: PANDA

M0

M1

M2M3

M3

Zeitlicher Ablauf


20122011 2013 201620152014

6

BauanträgeBaustelleneinrichtungAusschreibungen BauBau der Beschleuniger- und DetektorkomponentenFertigstellung RohbauInstallation Beschleuniger und DetektorenDatennahme

7 108

2017 2018 2019

12

6789

1112

10

119

Probebohrungen 31.8.11


Baufeldfreimachung 6.12.11


Vielen Dank!


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