status und perspektiven 2012 - Komitee für Hadronen

Hadronenund Kernphysik
Status und Perspektiven
2012
Inhalt
Hadronen- und Kernphysik
Status und Perspektiven 2012
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite
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Hadronen- und Kernphysik in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite
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Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums . . . . . . . . . . . . . . Seite
8
Atomkerne – Bausteine unserer Welt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite
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Kerne und Sterne – die Entstehung der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite
14
Hadronen, Kerne und fundamentale Symmetrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite
16
Hadronen – starke Verbindungen der Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite
18
Kernmaterie unter extremen Bedingungen – von der „Ursuppe“ zu Neutronensternen . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 20
Beschleuniger – Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 22
Instrumente der Hadronen- und Kernphysik – Hochtechnologie für Forschung und Anwendung . . . . . . . . . . Seite 24
FAIR – ein internationales Beschleunigerzentrum für die Grundlagenforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 26
Methoden der Hadronen- und Kernphysik in Wissenschaft, Medizin und Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 28
Ausbildung in der Hadronen- und Kernphysik
Wissenschaftlicher Nachwuchs für Forschung und Wirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 30
Vorwort
Auf der Suche nach einer Erklärung dafür, “was die Welt im Innersten zusammenhält”, spielt die Hadronen- und Kernphysik eine
zentrale Rolle. Unter Hadronen versteht man alle Teilchen die aus
Quarks bestehen und durch die Starke Kraft gebunden sind, wie
zum Beispiel die Kernbausteine Proton und Neutron. Die Starke
Kraft ist neben der elektromagnetischen Kraft, der Schwachen
Kraft und der Gravitation eine der vier Grundkräfte der Natur.
Die Hadronen- und Kernphysik befasst sich also mit den fundamentalen Kräften zwischen den elementaren Bausteinen der Materie. Sie erforscht, wie sich Quarks und Gluonen zu Nukleonen
zusammensetzen und wie diese sich wiederum zu Atomkernen
vereinigen. In diesem Zusammenhang treten viele grundlegende
Fragen auf: Warum existieren die Quarks nicht isoliert? Warum ist
die Masse eines Nukleons um ein Vielfaches größer als die Masse
seiner Bausteine? Wo liegen die Grenzen der Stabilität der Atomkerne?
Ein wichtiges Forschungsgebiet innerhalb der Hadronen- und
Kernphysik befasst sich mit der zentralen Bedeutung der Starken
Kraft für die Entwicklung des Universums vom Urknall bis hin zur
Entstehung der schwersten Elemente. Von entscheidender Bedeutung ist sie auch für die Struktur von Neutronensternen und
die Dynamik von Supernova-Explosionen. Hadronen- und Kernphysiker suchen nach neuen Teilchen der Starken Wechselwirkung und erforschen die Rolle von fundamentalen Symmetrien in
der Natur, wie der von Materie und Antimaterie.
Die Hadronen- und Kernphysik erlebte in den letzten zwei Jahrzehnten eine Renaissance, die ganz wesentlich auf den Forschritten der Beschleuniger- und Experimentiertechnik sowie auf dem
verstärkten Einsatz von Hochleistungsrechnern beruht. Dadurch
wurden Präzision, Empfindlichkeit und Signifikanz der gewonnen
Daten dramatisch verbessert. Dies hat auch dazu beigetragen,
Querverbindungen zur Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik herzustellen und zu vertiefen.
Eine tragende Rolle spielt hierbei der hochqualifizierte naturwissenschaftlich-technische Nachwuchs, der seine Ausbildung im
Rahmen der Grundlagenforschung erhält.
Deutschland gehört zu den führenden Nationen in der Hadronen- und Kernphysik. Dies spiegelt sich in hervorragenden, zum
Teil einzigartigen Forschungsanlagen wider, an denen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker zusammenarbeiten. Das im
Bau befindliche internationale Beschleunigerzentrum „Facility for
Antiproton and Ion Research“ (FAIR) in Darmstadt wird weltweit
eine Spitzenstellung in der Hadronen- und Kernphysikforschung
einnehmen und zur Stärkung des Wissenschafts- und Technologiestandorts Deutschland beitragen.
Im Jahre 2000 wurde auf Anregung des Bundesministeriums
für Bildung und Forschung (BMBF) das Komitee für Hadronen
und Kerne (KHuK) als Interessensvertretung und Sprachrohr der
Community gegründet. Dem KHuK gehören für eine Amtszeit
von jeweils zwei Jahren zwölf Mitglieder an, die verschiedene
Forschungsgebiete und Gremien repräsentieren. Eine zentrale Aufgabe des KHuK ist die Organisation eines kohärenten und
konstruktiven Diskussionsprozesses zu Status und Perspektiven
der Hadronen- und Kernphysik in Deutschland. Daraus ergeben
sich Empfehlungen an die Politik hinsichtlich der zukünftigen
Forschungs- und Förderungsschwerpunkte des Gebietes. Die
vorliegende Broschüre dokumentiert die im Dezember 2010 verabschiedeten Empfehlungen zusammen mit einer allgemeinverständlichen Darstellung der Forschungsschwerpunkte und der
grundlegenden Fragestellungen der Hadronen- und Kernphysik.
Oktober 2011
Komitee für Hadronen und Kerne (KHuK)
Die im Rahmen der Hadronen- und Kernphysikforschung entwickelten experimentellen Methoden finden eine breite Palette von
Anwendungen in Medizin, Technik und anderen Wissenschaftsgebieten. Viele Entwicklungen in der Beschleuniger- und Detektortechnologie, Mikroelektronik und im „High Performance Computing“ erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der Industrie und
sorgen somit für einen unmittelbaren Technologietransfer von
der Forschung zur Anwendung.
Status und Perspektiven 2012
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Hadronen- und Kernphysik
in Deutschland
Definition des Arbeitsgebietes
Die Community
Die Hadronen- und Kernphysik sucht nach einem grundlegenden
und quantitativen Verständnis der Atomkerne und ihrer Bausteine, der Protonen und Neutronen. Letztere sind wie alle Hadronen
aus Quarks und Gluonen aufgebaut, die als die elementaren Bausteine der Materie angesehen werden.
Die deutsche Hadronen- und Kernphysik hat historisch eine der
Führungsrollen in diesem Forschungsgebiet inne. Sie ist motiviert
und wissenschaftlich optimal positioniert, auch in Zukunft eine
zentrale Rolle zu spielen.
Die Faszination, die von diesem Forschungsgebiet ausgeht, beruht auf der Vielzahl von Phänomenen, welche die Starke Kraft
verursacht. Verblüffend ist zum Beispiel die große Vielfalt von
stabilen und instabilen Atomkernen. Ebenso überraschend ist die
Tatsache, dass sich Quarks und Gluonen offenbar nicht als freie
Teilchen beobachten lassen, sondern im Innern der Hadronen
eingeschlossen sind (Confinement).
Eine der zentralen Aufgaben der Hadronenphysik besteht darin,
die innere Struktur der Hadronen aufzuklären. Hierbei besteht
eine enge Verzahnung zwischen Experimenten und theoretischen Beschreibungen mit dem gemeinsamen Ziel, die effektiven
Eigenschaften der Hadronen aus den elementaren Eigenschaften
der Quarks und Gluonen und ihrer Wechselwirkung abzuleiten.
Die Kernphysik untersucht den Aufbau der Atomkerne. Diese werden vor allem im Innern von Sternen synthetisiert und bestimmen
die Masse der sichtbaren Materie im Universum. Das detaillierte
Studium der Kernkräfte führt zu Erkenntnissen über astrophysikalische Abläufe wie die Elementsynthese im Universum und die
Struktur von Neutronensternen.
Die Hadronen- und Kernphysik umfasst daher alle Aspekte stark
wechselwirkender, zusammengesetzter Teilchensysteme. Mit
den beschriebenen Schwerpunkten hat das Gebiet im letzten
Jahrzehnt eine signifikante und faszinierende Neuorientierung erfahren. Dies spiegelt sich weltweit in neuen Forschungsprojekten
und in dem Bau wirkungsvoller und von innovativen technischen
Konzepten getragenen Beschleunigeranlagen wider.
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Status und Perspektiven 2012
Hierzulande wird das Gebiet gegenwärtig von etwa 180 Professuren an mehr als 20 Hochschulen vertreten. Darüber hinaus bildet die Hadronen- und Kernphysik an neun außeruniversitären
Forschungseinrichtungen entweder das Hauptforschungsgebiet
oder einen wesentlichen Schwerpunkt. Den Wissenschaftlern
stehen sowohl an den Universitäten als auch an den nationalen
Forschungszentren hervorragende, zum Teil einzigartige Forschungsmöglichkeiten zur Verfügung. Zusammen mit der Beteiligung an großen internationalen Projekten wie am CERN haben
sie den Grundstein für die herausragende Rolle Deutschlands in
der Hadronen- und Kernphysik gelegt. Damit verknüpft ist die
an vorderster Front der Forschung wie auch vieler technischer
Neuentwicklungen orientierte Ausbildung des wissenschaftlichtechnischen Nachwuchses.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ist
zusammen mit den zuständigen Länderministerien der wesentliche Träger der Hadronen- und Kernphysik. Gemeinsam mit den
Ländern finanziert das BMBF insbesondere die großen Beschleunigeranlagen und Großexperimente der Forschungszentren mit
ihren in vielen Aspekten einmaligen Experimentiermöglichkeiten.
Darüber hinaus vergeben die Verbundforschung des BMBF und
die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in erheblichem
Umfang Projektmittel an wissenschaftliche Arbeitsgruppen sowie
Fördermittel für universitäre Forschungsanlagen.
Hadronen- und Kernphysik in Deutschland
Das KHuK
Zur Koordinierung der zukunftsweisenden Aktivitäten der Hadronen- und Kernphysik in Deutschland einerseits und zur effektiven
Einbindung in die zukünftige internationale Forschungslandschaft andererseits hat das BMBF im Jahr 2000 das Komitee für
Hadronen- und Kernphysik (KHuK) initiiert. Wenig später wurde
das KHuK durch eine allgemeine Wahl innerhalb der Community konstituiert. Neben den acht gewählten Mitgliedern gehören
dem KHuK vier Mitglieder kraft Amtes an, die Vertreter anderer
für das Gebiet wichtiger nationaler (Verbundforschung des BMBF,
DFG, Deutsche Physikalische Gesellschaft – DPG) und europäischer Gremien (Nuclear Physics European Collaboration Committee – NuPECC) sind. Die aktuelle Mitgliederliste findet sich am
Ende dieses Abschnitts.
Das KHuK hat es als eine der ersten und vordringlichsten Aufgaben den Status der Hadronen- und Kernphysik erhoben, daraufhin Perspektiven für die längerfristige Zukunft diskutiert und
auf dieser Basis Empfehlungen für die künftige Entwicklung und
Stärkung des Gebiets und der Community ausgesprochen. Die
Empfehlungen des Komitees finden Eingang in die europäischen
Strategiepapiere der Hadronen- und Kernphysik (zuletzt in den
NuPECC Long Range Plan 2010: Perspectives of Nuclear Physics in
Europe). Darüber hinaus berät das Komitee das BMBF bei förderpolitischen Entscheidungen.
Liste der KHuK-Mitglieder 2010–2012:
Gewählte Mitglieder:
Mitglieder Kraft Amtes:
Reinhard Beck
James Ritman
(Universität Bonn)
(FZ Jülich/Universität Bochum)
Vorsitzender BMBF-Gutachterausschuss
und DFG-Fachkollegium
Klaus Blaum
(MPI Kernphysik Heidelberg)
Carsten Greiner
Jochen Wambach
(Universität Frankfurt)
(Technische Universität Darmstadt)
Vertreter von NuPECC
Matthias Lutz
Johannes Wessels
(GSI Darmstadt)
(Universität Münster)
Vorsitzender DPG-Fachverband Hadronen und Kerne
Ulrich Ratzinger
(Universität Frankfurt)
James Ritman, stellv. Vorsitzender
(FZ Jülich/Universität Bochum)
Peter Senger, Vorsitzender
(GSI Darmstadt/Universität Frankfurt)
Thomas Stöhlker
(GSI Darmstadt/Universität Jena)
Status und Perspektiven 2012
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Hadronen- und Kernphysik in Deutschland
Empfehlungen des KHuK zur Hadronen- und Kernphysik
Der wissenschaftliche Fortschritt der Grundlagenforschung wurde in der Vergangenheit und wird auch in Zukunft ganz wesentlich durch neue Experimentiermöglichkeiten vorangetrieben.
Dies gilt insbesondere für die Hadronen- und Kernphysik, deren
Erfolge auf innovativen technologischen Entwicklungen in den
Bereichen Beschleuniger, Spektrometer, Detektoren und Datenverarbeitung basieren. Die Beantwortung der fundamentalen
Fragen in der Hadronen- und Kernphysik – mit all ihren faszinierenden Implikationen für unser Verständnis der Materie auf der
Erde, in Sternen bis hin zur Evolution des Universums – erfordert
eine neue Generation von Beschleuniger- und Experimentieranlagen. Der theoretischen Kern- und Hadronenphysik kommt die
wichtige Aufgabe zu, die wesentlichen Fragestellungen des Feldes zu erarbeiten sowie die Experimente zu begleiten und ihre Ergebnisse zu interpretieren. Eine entscheidende Voraussetzung für
exzellente Forschung sind hochqualifizierte Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler, deren Ausbildung und berufliche Perspektive gewährleistet sein muss.
Das KHuK empfiehlt mit höchster Priorität den
vollständigen Ausbau der „Facility for Antiproton
and Ion Research“ (FAIR).
Das geplante Beschleunigerzentrum FAIR bietet weltweit einmalige Forschungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Hadronen- und
Kernphysik. Mit über 2000 beteiligten Wissenschaftlern wird FAIR
die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit stärken
und wichtige Impulse für interdisziplinäre Forschung geben. Der
Bau der FAIR-Startversion und der Beginn des Physikprogramms
sind von höchster Dringlichkeit und müssen ohne weitere Verzögerungen in Angriff genommen werden. Das Ziel muss die
zügige Verwirklichung der kompletten Anlage sein. Gleichzeitig
muss sichergestellt werden, dass während der Bauphase von FAIR
die an den beteiligten Forschungsinstituten betriebene Spitzenforschung weitergeführt werden kann. Dies schließt eine ausgewogene Förderung der für FAIR relevanten Theorieaktivitäten ein.
Das KHuK empfiehlt mit Nachdruck die Förderung
existierender Experimentieranlagen zur
Erforschung der Struktur der Materie und ihr
Verhalten unter extremen Bedingungen.
Die Erzeugung und Untersuchung von Materie mit bisher im
Labor unerreichten Energiedichten ist das Ziel des Schwerionenprogramms am LHC. Diese Messungen haben ein hohes
Entdeckungspotenzial und erfordern kontinuierliche finanzielle
Zuwendungen. Ebenfalls muss der Betrieb der mit signifikanter
deutscher Beteiligung am CERN aufgebauten Experimente zur
Kern- und Hadronenphysik finanziell unterstützt werden.
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Status und Perspektiven 2012
International beachtete Präzisionsexperimente mit elektromagnetischen Sonden verbinden sich in idealer Weise mit theoretischen
Untersuchungen zur Struktur und Spektroskopie von Hadronen
und Kernen. Eine gesicherte Finanzierung dieser Forschung ist
dringend erforderlich. Sie ist die Basis für ein quantitatives Verständnis der starken Wechselwirkung und bildet die Grundlage
für Untersuchungen zur Realisierbarkeit einer zukünftigen Elektronenmaschine.
Das KHuK empfiehlt dringend eine Initiative zur
Sicherung des wissenschaftlichen Nachwuchses.
Die zukünftige Rolle Deutschlands als Technologie- und Wissenschaftsstandort – mit den daraus resultierenden Folgen für die
Konkurrenzfähigkeit der deutschen Wirtschaft – hängt entscheidend von den Investitionen in den Bildungs- und Forschungssektor ab. Die Hadronen- und Kernphysik bietet ideale Bedingungen
für eine exzellente Ausbildung, wobei insbesondere die universitären Forschungsinstitute eine sehr wichtige Rolle spielen. Der
Erfolg von Forschungsanlagen wie FAIR beruht wesentlich auf
dem Engagement hoch motivierter und hoch qualifizierter
Nachwuchskräfte. Das KHuK sieht mit großer Sorge, dass dem
wissenschaftlichen und technischen Nachwuchs in Deutschland
aufgrund der Stellenknappheit an Universitäten und Forschungszentren keine berufliche Perspektive geboten werden kann. Das
KHuK empfiehlt daher dringend eine bundesweite Initiative mit
dem Ziel, hochtechnologische Spitzenforschung personell abzusichern.
Hadronen- und Kernphysik in Deutschland
Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik in Deutschland:
COSY, Cooler Synchrotron
Polarisierte, gekühlte Protonen- und Deuteronenstrahlen
Forschungszentrum Jülich
http://www2.fz-juelich.de/ikp/cosy/de
Universitäten mit Forschungsaktivitäten auf dem
Gebiet der Hadronen– und Kernphysik:
ELBE, Supraleitender Elektronen-Linearbschleuniger
Helmholtzzentrum Dresden-Rossendorf
http://www.hzdr.de
• Berlin • Bielefeld
• Bochum
• Bonn
• Darmstadt
• Dresden
ELSA, Elektronen-Stretcher-Anlage
Polarisierte Elektronen- und Photonenstrahlen
Universität Bonn
http://www-elsa.physik.uni-bonn.de
• Erlangen
• Frankfurt
• Freiburg • Giessen
• Greifswald
• Heidelberg (U + MPI)
• Jena • Karlsruhe IT
FRM-II, Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz
Neutronenstrahlen
Technische Universität München
http://www.frm2.tum.de
• Köln
• Mainz
• München LMU
• München TU
• Münster
• Regensburg
• Rostock
• Tübingen
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt:
UNILAC: Universal Linear Accelerator
SIS: Schwerionen-Synchrotron
ESR: Experimentier-Speicherring
Gekühlte Ionenstrahlen aller Elemente bis Uran,
radioaktive Sekundärstrahlen, Pionenstrahlen
http://www.gsi.de
• Wuppertal
MAMI, Mainz Mikrotron
Polarisierte Elektronen- und Photonenstrahlen
Universität Mainz
http://www.kph.uni-mainz.de
S-Dalinac, Superconducting Darmstadt Linac Accelerator
Elektronen- und Photonenstrahlen
Technische Universität Darmstadt
http://www.ikp.tu-darmstadt.de
TRIGA Mark II, Forschungsreaktor mit Pulsfunktion
Gepulste Neutronenstrahlen
Universität Mainz
http://www.kernchemie.uni-mainz.de/234.php
Internationale Großexperimente mit signifikanter
deutscher Beteiligung:
ALICE, A Large Ion Collider Experiment
Stark wechselwirkende Materie unter extremen
Eigenschaften (Quark-Gluon-Plasma) CERN-LHC
http://aliceinfo.cern.ch
COMPASS, Common Muon and Proton Apparatus
for Structure and Spectroscopy
Struktur und Spektroskopie von Hadronen
CERN-SPS
http://wwwcompass.cern.ch
ISOLDE
Radioaktive Strahlen
CERN
http://www.cern.ch/isolde
Status und Perspektiven 2012
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Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der
Materie und die Entwicklung des Universums
Der Aufbau der Materie
Die uns bekannte normale Materie, aus der alle Sterne und Planeten und wir Menschen bestehen, ist aus nur drei Teilchenarten aufgebaut: den positiv geladenen Protonen, den elektrisch neutralen
Neutronen und den negativ geladenen Elektronen. Seit etwa 30
Jahren wissen wir dass die Protonen und Neutronen, auch Nukleonen genannt, selbst wiederum eine innere Struktur besitzen und
aus elementaren Teilchen, den Quarks, zusammengesetzt sind.
Die Nukleonen sind die Bausteine der Atomkerne, in denen fast die
gesamte Masse der Materie konzentriert ist. Die Elektronen bilden
die Atomhülle und sind verantwortlich für die chemische Bindung
und die daraus resultierenden komplexen Strukturen der lebenden wie leblosen Materie. Diese Materie erweist sich als Hierarchie
unterschiedlich zusammengesetzter Systeme, die in ihren Dimensionen fast 40 Größenordnungen überspannen: von Galaxien über
die Dinge unserer täglichen Umgebung bis hin zu den elementaren Bausteinen, den Quarks und Elektronen (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Aufbau der Materie
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Status und Perspektiven 2012
In den verschiedenen Hierarchien der Materie bewirken unterschiedliche Bindungskräfte den Zusammenhalt des jeweiligen
Systems. Während im Makrokosmos die Gravitation dominiert,
ist im Bereich der Atome die elektromagnetische Anziehung zwischen den negativen Elektronen und den positiven Atomkernen
die stabilisierende Kraft. Die Atomkerne wiederum werden durch
die so genannte Starke Kraft zusammengehalten, die zwischen
den Nukleonen wirkt, aber auch zwischen den Quarks im Nukleon. Es gibt eine weitere fundamentale Kraft, die so genannte
Schwache Wechselwirkung. Diese bewirkt den radioaktiven Betazerfall der Atomkerne und ermöglicht die Kernfusion als Energiequelle der Sterne und damit auch unserer Sonne.
Wir sind heute noch weit davon entfernt, die komplexen Eigenschaften der Materie und ihre vielfältigen Erscheinungsformen
beschreiben zu können. Ein Grund liegt darin, dass wir die Kräfte
und die ihnen innewohnenden Symmetrien noch zu wenig verstehen. Dies gilt insbesondere für die Starke Kraft, die uns noch
viele Rätsel aufgibt. Die Starke Kraft zwischen den Quarks wird
durch so genannte Gluonen vermittelt. Quarks und Gluonen gehen eine extrem starke Wechselwirkung miteinander ein, und das
hat erstaunliche Konsequenzen. Je größer der Abstand zwischen
den Quarks ist, desto stärker wird die Kraft zwischen ihnen, so
dass sie untrennbar verbunden sind. Quarks treten niemals isoliert
auf. Im Innern der Nukleonen sind sie als Dreiergruppen gefangen
(Physiker sprechen von Confinement). Die Gluonen sind masselos.
Aber auch die Masse der Quarks trägt nur weniger als zwei Prozent zur Nukleonenmasse bei. Erstaunlicherweise steckt der größte Teil der Masse der Nukleonen und damit der Atomkerne und
der Materie insgesamt in der Bewegungsenergie der Quarks und
in der Energie des Gluonenfeldes das die Quarks zusammenhält.
In der kosmischen Strahlung und in Laborexperimenten mit Beschleunigern wurden weitere – allerdings sehr kurzlebige – Teilchen entdeckt, die entweder aus drei schweren Quarks oder aus
Quark-Antiquark-Paaren aufgebaut sind. Heute kennt man sechs
verschiedene Quarkfamilien, die sich sehr stark in ihrer Masse
unterscheiden. Die leichten Quarks – aus denen die Nukleonen
bestehen – besitzen eine Masse von nur etwa 1% eines Nukleons,
während das schwerste Quark fast die 200-fache Masse eines Nukleons hat. Alle aus Quarks bzw. Quarks und Antiquarks zusammengesetzten Teilchen werden als Hadronen bezeichnet.
Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums
Die Entwicklung des Universums
Nach unserem heutigen Verständnis bestand das heiße Universum kurz nach dem Urknall aus Elementarteilchen wie Quarks
und Antiquarks, Gluonen, Elektronen und Photonen (Abbildung 2).
Das Universum expandierte und kühlte sich ab, sodass bereits
etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall die Quarks und
Gluonen zu Nukleonen verschmolzen: Es fand ein Phasenübergang statt, ähnlich der Kondensation von Dampf zu Wasser.
Ein noch ungelöstes Rätsel ist, warum sich die im Urknall zu gleichen Teilen erzeugte Materie und Antimaterie nicht vollständig
wieder vernichtet hat und ein kleiner Rest Materie übrig geblieben ist. Etwa drei Minuten nach dem Urknall war die Temperatur
so weit gesunken, dass sich Protonen und Neutronen zu leichten
Kernen vereinigten, die später Elektronen einfingen und elektrisch neutrale Atome bildeten. Nach einigen hundert Millionen
Jahren ballten sich die aus leichten Atomen bestehenden gewaltigen Gaswolken unter dem Einfluss der Gravitation zusammen
und formten die ersten Sterne. Im Zentrum der Sterne setzten nukleare Fusionsprozesse ein, in denen schwerere Atomkerne gebildet und große Energiemengen freigesetzt wurden, wie heute in
unserer Sonne. Die schwersten Elemente wurden durch Kernreaktionen in gewaltigen Supernova-Explosionen sehr massereicher
Sterne gebildet und ins Weltall geschleudert. Überreste dieser
katastrophalen Ereignisse sind entweder Neutronensterne oder
Schwarze Löcher.
Die Hadronen- und Kernphysikforschung hat wesentlich zu unserem heutigen Wissen über die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums beigetragen. Dennoch sind wichtige
Fragen noch ungeklärt. Sie werden im Folgenden angerissen.
Fragestellungen der modernen Hadronen- und
Kernphysik
Schwerpunkt der Hadronenphysik ist die Erforschung der inneren Struktur der Hadronen (Nukleonen) und der zwischen ihnen
wirkenden Kräfte. Die Kernphysik untersucht wie sich Nukleonen
wiederum zu Atomkernen verbinden und welche Eigenschaften
diese besitzen. Ein gemeinsames Ziel der Hadronen- und Kernphysik ist es zu verstehen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen den Nukleonen im Kern einerseits mit der Starken Kraft
zwischen Quarks und Gluonen andererseits zusammenhängt. In
den Bereich der Hadronen- und Kernphysik fällt auch die Untersuchung der Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie
unter extremen Bedingungen.
Ein wichtiger Fragenkomplex betrifft die Quark-Gluon-Struktur
der Hadronen und die damit verbundene Frage, warum Hadronen so viel schwerer sind als ihre Bestandteile. Eine in der Teilchenphysik einzigartige Eigenschaft ist die „Gefangenschaft“ der
Quarks (Confinement) im Innern der Nukleonen. Daraus ergibt
sich die Frage, warum sich keine isolierten Quarks beobachten
lassen? Gibt es vielleicht exotische Hadronen, die aus mehr als drei
Quarks oder nur aus Gluonen bestehen? Interessant ist auch die
Frage, wie Quarks und Gluonen zum Eigendrehimpuls des Protons beitragen.
Von fundamentaler physikalischer und kosmologischer Bedeutung ist der eingangs erwähnte Phasenübergang im frühen Universum, als Quarks und Gluonen zu Nukleonen kondensierten.
(Abbildung 2). Kurz nach dem Urknall existierte die Materie vermutlich als sehr heißes Quark-Gluon-Plasma, in dem das Confinement aufgehoben war und Quarks fast keine Masse besaßen.
Eine heutige zentrale Fragestellung ist: Lässt sich ein solches Plasma im Labor herstellen und untersuchen? Welche Eigenschaften
hat diese Form stark wechselwirkender Materie? Kann man einen
Phasenübergang ähnlich dem im frühen Universum auch in Kollisionen schwerer Atomkerne beobachten? Gibt es vielleicht sogar
noch weitere exotische Phasen von Kernmaterie?
Abbildung 2: Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute.
Die räumliche Expansion des Universums ging einher mit einer
Abkühlung und einer zunehmenden Strukturbildung.
Status und Perspektiven 2012
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Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums
Die Vielfalt der Atomkerne entsteht noch heute durch Kernreaktionen im Innern von Sternen oder in Sternexplosionen (Supernovae). Welche Kernreaktionen an dieser Nukleosynthese beteiligt
sind und welche Rolle die instabilen Kerne dabei spielen, ist Gegenstand aktueller Forschung. Eine ungeklärte Frage in diesem
Zusammenhang ist, wo die Grenze der Stabilität für Atomkerne
liegt, und ob es auch superschwere Elemente gibt.
Wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens als Supernova
explodiert, bleibt häufig ein extrem kompakter Neutronenstern übrig.
Der zeitliche Ablauf einer Supernova und die inneren Eigenschaften des entstehenden Neutronensterns hängen vom Verhalten
der Kernmaterie in Abhängigkeit von Druck und Temperatur ab.
Physiker sprechen hier von der nuklearen Zustandsgleichung. Die
Eigenschaften hoch komprimierter Kernmaterie, wie sie im Zentrum von Neutronensternen vorkommt, sind noch weitgehend
unbekannt. Die nukleare Zustandsgleichung definiert auch die
Eigenschaften der heißen Kernmaterie kurz nach dem Urknall.
Wie beeinflusste diese die Entwicklung des Universums, und wie
entstanden aus nahezu masselosen Quarks die massiven Nukleonen?
Ein wichtiges Ziel ist auch die Erklärung von Symmetrieverletzungen. Eine fundamentale und noch unverstandene Symmetrieverletzung ist die Ursache unserer Existenz: Warum haben sich nach
dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig vernichtet? Die hochpräzise Messung von Symmetrieverletzungen ist ein
vielversprechender Ansatz zur Suche nach neuen physikalischen
Gesetzmäßigkeiten jenseits des Standardmodels der Teilchenphysik. Hadronen und Kerne bieten als „Mikrolaboratorien“, die
von äußeren Einflüssen weitgehend ungestört sind, die einzigartige Möglichkeit solche Präzisionsmessungen durchzuführen.
All diese Fragenstellungen werden in Experimenten an Teilchenbeschleunigern des CERN, an der GSI, am FZ Jülich und an verschiedenen Universitäten mit Elektronen, Protonen, Antiprotonen
oder Schwerionen untersucht.
Wissenschaftlicher Fortschritt erfordert neben neuen experimentellen Ergebnissen auch neue theoretische Erkenntnisse, die zunehmend mithilfe modernster Computertechnologie gewonnen
werden. Neben den existierenden Forschungseinrichtungen wird
vor allem die zukünftige Anlage FAIR mit ihrer breiten Palette an
intensiven Teilchenstrahlen, neuartigen Experimentiereinrichtungen und einem energieeffizienten Hochleistungs-Rechenzentrum neue exzellente Forschungsmöglichkeiten auch auf dem
Gebiet der Hadronen- und Kernphysik bieten. Die im Rahmen von
FAIR in vielen Bereichen entwickelte Hochtechnologie bildet die
Grundlage für zukünftige Spitzenforschung und für Anwendungen in Industrie und Technik.
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Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums
Status und Perspektiven 2012
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Atomkerne
– Bausteine unserer Welt
Die Starke Kraft bindet die Quarks zu Protonen und Neutronen,
und fügt diese Nukleonen zu Atomkernen zusammen. Im Zusammenspiel mit der elektromagnetischen und der Schwachen Kraft
bestimmt sie die Anzahl der möglichen Kernarten. Sie legt auch
fest, wie viele Protonen- und Neutronen in einem Kern vereint sein
können und wie viele Protonen er maximal enthalten kann. Diese
Zahl, auch Kernladungszahl genannt, definiert das jeweilige chemische Element. Darüber hinaus bestimmen diese Kräfte die detaillierte Struktur der Kerne. Dazu zählen Eigenschaften wie Masse
und Stabilität gegenüber radioaktivem Zerfall oder Lebensdauer.
Sie legen auch fest, auf welche Weise die Atomkerne kurz nach
dem Urknall oder später im Innern der Sterne gebildet wurden.
Insofern ist die Struktur der Kerne ein wichtiger Schlüssel zum
Verständnis der uns umgebenden Materie, insbesondere der natürlich vorkommenden chemischen Elemente und Isotope, aus
denen alle uns umgebenden Materialien und auch wir Menschen
bestehen. Auf der Erde finden wir 92 chemische Elemente und
etwa 300 verschiedene stabile Atomkerne. Darüber hinaus hat
man in Laborversuchen und an Teilchenbeschleunigern mehr
als 2500 weitere instabile Kerne synthetisiert und untersucht. Vermutlich kann es insgesamt mehr als 6000 verschiedene Isotope
geben, die überwiegend instabil sind.
In der Nuklidkarte (Seite 15, Abbildung 1) sind alle Kerne, geordnet nach der Zahl der Protonen und Neutronen, aufgetragen. Die
schwarzen Symbole zeigen die wohlbekannten stabilen Kerne,
die gelben die bereits synthetisierten instabilen Kerne, von denen
zumindest einige Eigenschaften bekannt sind. Der grüne Bereich
kennzeichnet die Region der bisher noch unbekannten Kerne, deren
Existenz nach heutigem Wissen erwartet wird. Ein Vorstoß in diese
Terra Incognita verspricht sowohl für unser Verständnis der Kerne
selber wie auch für die Erforschung der Entstehungsprozesse der
Elemente in Sternen neue Erkenntnisse. Letztlich haben die Eigenschaften von Kernen Einfluss auf die Entwicklung von Sternen.
Die Grenzen der Stabilität von Kernen
In den stabilen Kernen stehen die Protonen und Neutronen in
einem bestimmten, etwa ausgeglichenen Verhältnis zueinander.
Fügt man zu einem gegebenen Kern entweder nur Neutronen
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Status und Perspektiven 2012
oder nur Protonen hinzu und überschreitet dabei einen Grenzwert, so kann das letzte Nukleon nicht mehr gebunden werden,
und der Kern zerfällt spontan unter Aussendung von Neutronen
oder Protonen. Diese Grenzlinien im Isotopendiagramm, innerhalb derer Kerne existieren können, werden Protonen- beziehungsweise Neutronenabbruchkante (Dripline) genannt. Für
Kerne in der Nähe der Abbruchkante wurden neue und bislang
unbekannte Eigenschaften beobachtet und weitere werden vorausgesagt. Solche Kerne ermöglichen zum Beispiel über die Messung ihrer bloßen Existenz, ihrer Massen oder ihres Zerfalls einen
kritischen Test der besten heutigen Kernmodelle.
Aktuelle Themen der Forschung umfassen unter anderem die
exakte Lage der Protonen- und Neutronenabbruchkante, das Verhalten von sehr neutronen- oder protonenreichen Kernen und
die Synthese superschwerer Elemente.
Exotische Kerne: Nukleonenhalos und
Nukleonenhäute
Die Größe von Atomkernen lässt sich recht gut im Rahmen des alten Tropfenmodells verstehen, in dem bestimmte Eigenschaften
eines Atomkerns ähnlich denen eines Wassertropfens beschrieben werden. Hierin sollte der Radius der Kerne etwa mit der dritten Wurzel der Nukleonenzahl zunehmen.
Dieses Bild stößt jedoch für Kerne mit großem Neutronen- oder
Protonenüberschuss an seine Grenzen. So wurde für leichte, sehr
neutronenreiche Kerne die Bildung eines Neutronenhalos beobachtet. Das heißt, ein oder zwei Neutronen halten sich in einem
weiten Außenbezirk des Kerns auf. Aufgrund dieses Effekts bläht
sich zum Beispiel Lithium-11 (mit drei Protonen und acht Neutronen, Abbildung 2) auf die Größe des wesentlich schwereren Kerns
von Kalzium-48 (mit 20 Protonen und 28 Neutronen) auf. Man
spricht hier von Halo-Kernen. Für schwerere neutronenreiche
Kerne, wie Zinn-132, erwartet man die Bildung von dicken Neutronenhäuten (engl. neutron skin), bei denen sich mehrere Neutronen in einem großen Abstand vom Zentrum des Kerns aufhalten.
Im Mittelpunkt moderner Forschung stehen Fragen nach der
Verteilung der Nukleonen in solchen Kernen und mögliche
Korrelationen zwischen den äußeren Nukleonen.
Atomkerne – Bausteine unserer Welt
Auch die Wechselwirkung der innen befindlichen Kern-Nukleonen
mit den äußeren Halo- beziehungsweise Skin-Nukleonen muss
weiter erforscht werden.
In Laborexperimenten und an Beschleunigern ist es gelungen,
jenseits der natürlich vorkommenden 92 Elemente weitere Elemente zu synthetisieren. Neben den bereits bestätigten und
anerkannten Elementen bis zur Protonenzahl 112 gibt es Berichte
über den Nachweis noch schwererer Elemente bis zur Protonenzahl 118.
Diese superschweren Elemente sind aber instabil und zerfallen
großteils nach sehr kurzer Zeit. Theoretische Rechnungen, die auf
dem Schalenmodell des Atomkerns aufbauen, sagen aber eine Insel erhöhter Stabilität im Bereich der Ordnungszahl 114 bis 126 und
der Neutronenzahl 184 voraus. Die gemessenen Eigenschaften der
neuen Kerne mit Ordnungszahlen in diesem Bereich unterstützen
das Bild eines Bereichs erhöhter Stabilität. Dessen genaue Lage
und Ausdehnung ist allerdings immer noch unbekannt.
Abbildung 1: Der leichte, neutronenreiche Kern Lithium-11 ist außergewöhnlich groß. Die Wissenschaftler führen dies darauf zurück, dass sich
in diesem Kern ein weit ausgedehnter Halo aus zwei Neutronen um einen
Lithium-9-Kern bewegt.
Doppeltmagische Kerne und Schalenstruktur
weitab der Stabilität
Es gibt Atomkerne, die sich durch eine besondere Stabilität auszeichnen. Diese besitzen 2, 8, 20, 50, 82 oder 126 Neutronen oder
Protonen (Diese Werte sind für Neutronen und Protonen gleich).
Diese erstaunliche Beobachtung lässt sich nicht mehr im einfachen Tröpfchenmodell erklären. Hierfür ist das modernere Schalenmodell nötig. Das ähnelt in gewisser Weise dem Modell der
Elektronenschalen, die den Kern umgeben. Demnach ordnen sich
Protonen und Neutronen im Kern in Schalen an, bei deren Abschluss besonders stabile Konfigurationen – die magischen Zahlen – erreicht werden. Das entspricht etwa den abgeschlossenen
Elektronenschalen in Edelgasatomen.
Es gibt nur fünf stabile Kerne, bei denen sowohl eine Protonen- als
auch eine Neutronenschale abgeschlossen ist. Diese doppeltmagischen Kerne stellen die Ankerpunkte des Schalenmodells dar.
Eine wichtige Frage ist, ob die Schalenstruktur auch für sehr
neutronenreiche Kerne erhalten bleibt oder ob sie vielleicht aufgeweicht wird. Zur Beantwortung dieser Frage zielen künftige
Experimente auf eine Untersuchung der fünf instabilen doppeltmagischen Kerne. Diese Kerne, insbesondere Nickel-78 und Zinn132 und ihre Nachbarisotope, werden an der geplanten neuen
Anlage FAIR bei der GSI mit den nötigen Intensitäten verfügbar
sein und einen breiten Test des Schalenmodells und weiterführender Kernmodelle ermöglichen.
Das Ende des Periodensystems:
Superschwere Elemente
Ein anderer Aspekt der Grenzen von Atomkernen betrifft die Frage nach dem Ende des Periodensystems der Elemente.
Die Physiker hoffen, in künftigen Experimenten mit hochintensiven Ionenstrahlen weitere Elemente zum Periodensystem hinzufügen zu können, um mehr und mehr zum Zentrum der Insel der
Stabilität vorzustoßen und diese präziser zu vermessen. Solche
Studien tragen auch zur steten Verbesserung theoretischer Modelle des Atomkerns bei, wie sie beispielsweise für das Verständnis der Produktion der schwersten auf der Erde vorkommenden
Elemente in astrophysikalischen Prozessen von Bedeutung sind.
Die Rolle der Theorie
Alle angesprochenen Aspekte der Kernstrukturphysik und viele
weitere spannende Phänomene sind die Konsequenz der komplexen quantenmechanischen Dynamik der Nukleonen unter
dem Einfluss der Starken Kraft. Es ist Aufgabe der Kernstrukturtheorie, eine Brücke zwischen der zugrundeliegenden Theorie
der Starken Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik (QCD),
und den Phänomenen der Kernstrukturphysik zu schlagen.
Hierbei hat es in den vergangenen Jahren rasante Fortschritte
gegeben. Es ist möglich geworden, die nukleonischen Wechselwirkungen ausgehend von der QCD zu konstruieren. Neue computergestützte Methoden versuchen, die komplizierte Wechselwirkung mehrere Nukleonen quantenmechanisch zu lösen. Auf
diese Weise lassen sich quantitative Vorhersagen zu Struktur und
Eigenschaften von Kernen machen. Auf diesem Gebiet wird es
auch in den kommenden Jahren viele wichtige Entwicklungen
und Anwendungen geben.
Je weiter die Experimente in die Terra Incognita vorstoßen, desto
maßgebender ist der Beitrag der modernen Kernstrukturtheorie:
Sie ist Wegweiser für die experimentellen Untersuchungen im
unbekannten Land. Sie liefert die physikalische Interpretation der
experimentellen Daten und stellt die Verbindung zur Physik der
Starken Kraft her. Sie liefert Informationen zu Kernen und Beobachtungsgrößen, die (noch) nicht experimentell zugänglich sind,
und bildet damit nicht zuletzt eine Brücke zur nuklearen Astrophysik.
Status und Perspektiven 2012
13
Kerne und Sterne
– die Entstehung der Elemente
Die Natur hat die chemischen Elemente, aus denen alle Sterne Planeten und auch wir Menschen bestehen, in zwei Phasen erzeugt.
Die erste Phase endete bereits wenige Minuten nach dem Urknall.
Bis dahin waren nur die leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium sowie in geringen Mengen Lithium und Beryllium entstanden. Danach waren Temperatur und Dichte im expandierenden
Universum so weit gesunken, dass keine schwereren Nuklide gebildet werden konnten.
Die zweite Phase der Nukleosynthese begann erst einige hundert
Millionen Jahre später. Damals formierten sich aus dem Urgas die
ersten Sterne. In deren heißen Zentralgebieten setzten Kernreaktionen ein, in denen die leichten Elemente Wasserstoff und Helium
nach und nach zu schwereren Elementen bis zum Eisen fusionierten. Schwerere Nuklide oberhalb von Eisen entstanden in den
letzten Lebensphasen massereicher Sterne, den sogenannten Roten Riesen, und in gewaltigen Sternexplosionen, den Supernovae.
Der berühmte Satz: „Wir sind aus Sternenstaub gemacht“ ist daher
nicht etwa metaphorisch, sondern im Wortsinn zu verstehen: Jedes Atom schwerer als Beryllium in unserem Körper oder wo auch
immer im Universum verdankt seine Existenz der Elementsynthese im Innern der Sterne.
Diese Prozesse mit den Gesetzen der Physik zu beschreiben, ist
ein fundamentales Ziel der nuklearen Astrophysik. Der Anspruch
ist hochgesteckt: Es ist der Versuch, die Häufigkeitsverteilung der
Elemente quantitativ zu erklären. Eng damit verbunden ist die
Frage, wie sich die astrophysikalischen Objekte, die bis heute die
Elemente erzeugen, entwickelt haben. Ohne ein Wissen über die
Struktur der Atomkerne und die Dynamik von Kernreaktionen ist
dieses Unterfangen hoffnungslos. Nukleare Astrophysik und Kernphysik sind daher untrennbar miteinander verbunden.
Stellare Nukleosynthese in irdischen Laboratorien
Die nuklearen Fusionsreaktionen im Innern der Sterne sind deren
Energiequelle und Elementlieferant. Hierbei werden leichte Kerne
zu schwereren verschmolzen. Zum Beispiel verbrennt unsere Sonne in jeder Sekunde mehr als 600 Millionen Tonnen Wasserstoff
zu Helium. Ihr großes Reservoir an Wasserstoff reicht aber aus, um
eine Lebensdauer von mehreren Milliarden Jahren zu erreichen.
14
Status und Perspektiven 2012
Stellare Fusionsprozesse laufen allerdings bei so niedrigen Energien ab, dass ihre Reaktionsraten extrem klein sind. Deshalb sind
direkte Messungen in irdischen Laboratorien wegen zu großer
störender Hintergrundereignisraten trotz des Einsatzes von Beschleunigern mit höchsten Strahlintensitäten unmöglich. Dennoch sind solche Messungen in den letzten Jahren erstmals einer
internationalen Kollaboration unter starker deutscher Beteiligung
mit einem Experiment im Gran-Sasso-Labor gelungen. Dieses
befindet sich tief unterhalb des Appenin-Gebirgsmassivs. Der
darüber liegende Fels absorbiert einen Großteil der störenden
kosmischen Strahlung, so dass im Experiment die sehr kleinen Reaktionssignale nachgewiesen werden konnten.
Die Dynamik vieler astrophysikalischer Ereignisse wird durch
explosionsartig verlaufende Sequenzen von Kernreaktionen bestimmt. Zu diesen Ereignissen gehören Novae und Supernovae
sowie Röntgenausbrüche. Ohne auf die Ursachen dieser explosionsartigen Vorgänge näher einzugehen, ist deutlich geworden,
dass in dem hierbei einsetzenden Netz von Kernreaktionen auch
kurzlebige Kerne eine Rolle spielen, die in der Natur nicht vorkommen. Zur Beschreibung der astrophysikalischen Ereignisse ist es
wichtig, die Eigenschaften dieser Kerne wie Masse, Lebensdauer und Reaktionsraten zu kennen. Hierzu müssen die Kerne erst
künstlich im Labor hergestellt werden. Dies ist für einige Kerne
in den letzten Jahren an Forschungszentren wie der GSI oder der
ISOLDE am CERN gelungen. Die experimentelle Untersuchung
der meisten solcher exotischen Kerne muss allerdings warten,
bis das Experimentieren an der neuen Anlage FAIR in Darmstadt
möglich sein wird.
Stellare Materie bei höchsten Dichten und
Temperaturen
Ein massereicher Stern erzeugt in seinem Zentralgebiet wie
beschrieben zunehmend schwere Elemente. Auf diese Weise
entsteht dort ein Kerngebiet aus Eisen und Nickel. Eine weitere
Fusion dieser Nuklide ist nicht möglich, weil diese keine Energie
freisetzen würde, sondern Energie benötigt. Versiegt die innere
Fusionsquelle, so bricht dieser Zentralbereich unter seinem eigenen Gravitationsdruck zusammen.
Kerne und Sterne – die Entstehung der Elemente
Dieser Kollaps setzt sich fort, bis sich im Inneren ein riesiger
„Atomkern“ von etwa einer halben Sonnenmasse mit einem Radius von einigen 10 km gebildet hat. Weitere Materie, die auf dieses
Zentrum fällt, wird zurückreflektiert, vergleichbar einem Gummiball, den man gegen eine Wand wirft. Es entsteht eine Stoßwelle, die durch den Rest des Sterns läuft und dessen äußere Schalen wegschleudert. Gleichzeitig setzen heftige Kernreaktionen
ein, bei denen enorme Mengen an Neutrinos entstehen. Diese
schießen ins All hinaus und reißen die Materie mit sich. Der heiße,
expandierende Gasball leuchtet nun als Supernova auf. Hierbei
gelangen auch jene Elemente ins Interstellare Medium, die im
Laufe des langen Sternlebens produziert worden sind. Darunter
befinden sich unter anderen die Kerne der Elemente Sauerstoff
und Kohlenstoff, aus denen auf der Erde Leben entstanden ist. Als
Rest der Explosion verbleibt ein hochkomprimiertes Gebilde mit
einem Radius von 10 bis 15 km und einer Masse, die etwa dem
Anderthalb-fachen der Sonne entspricht – ein Neutronenstern.
Das allgemeine Bild einer Supernova-Explosion ist gut verstanden und wurde durch die unterschiedlichen Beobachtungen der
Supernova 1987a in der Großen Magellanschen Wolke bestätigt.
Details lassen sich allerdings gegenwärtig noch nicht zufriedenstellend beschreiben. Hierzu zählen die Eigenschaften von
Kernmaterie als Funktion von Temperatur und Dichte. Es ist eine
Herausforderung der Kernreaktionsphysik, die Eigenschaften der
extrem verdichteten Materie in Abhängigkeit von Temperatur und
Dichte, die Zustandsgleichung von Kernmaterie, experimentell zu
bestimmen. Es wird angestrebt, dieses Ziel mit Hilfe von relativistischen Schwerionenstößen, wie sie bei der GSI und später bei FAIR
möglich sein werden, zu erreichen. Diese Experimente werden
auch zu einem besseren Verständnis der noch weitgehend unverstandenen inneren Struktur von Neutronensternen führen.
Synthese der schweren Elemente im s- und r-Prozess
Im Innern von Sternen entstehen, wie beschrieben, keine Elemente schwerer als Eisen. Dass es sie dennoch gibt, verdanken
wir einem Trick der Natur: Es ist die Anreicherung der bereits vorhandenen Kerne mit Neutronen und anschließendem Betazerfall
– klassische Kernphysik also.
Ein Kern fängt ein Neutron ein, so dass sich die Massenzahl des
Atomkerns um eine Einheit erhöht, die Kernladung (sprich die
Protonenzahl) aber unverändert lässt. Doch dann setzt Betazerfall ein, bei dem sich das Neutron in ein Proton umwandelt und
damit die Kernladungszahl um eine Einheit erhöht. Damit ist das
nächst höhere Element entstanden. Dieser Weg, dessen kernphysikalische Prozesse im Allgemeinen gut erforscht sind, läuft hauptsächlich im Zentralbereich von Sternen während der Fusion von
Helium ab. Hierbei entsteht etwa die Hälfte aller stabilen Atomkerne schwerer als Eisen. Er endet bei Blei und Wismut.
Die andere Hälfte der schweren Elemente und der Transaktiniden
entsteht in einem zweiten Prozess, dem schnellen r-Prozess (rapid neutron capture). Dabei nehmen vorhandene Kerne mehrere
Neutronen auf. Sie werden instabil und zerfallen rasch zu stabilen
neutronenreichen Kernen bis hin zu instabilen langlebigen Isotopen von Uran und Plutonium. Da dieser r-Prozess einen extrem
großen Neutronenfluss voraussetzt und in kürzester Zeit (wenigen Sekunden) ablaufen muss, ist er nur in einem explosiven
Szenario wie einer Supernova oder dem Verschmelzen von zwei
Neutronensternen vorstellbar.
Da bislang der genaue Ablauf der kernphysikalischen Reaktionen
weitab der Kernstabilität noch weitgehend unaufgeklärt ist, stellt
der r-Prozess gegenwärtig eine der größten Herausforderungen
der experimentellen und theoretischen nuklearen Astrophysik
dar. Man muss Atomkerne mit extremem Neutronenüberschuss
erzeugen, was nur mit höchstintensiven radioaktiven Strahlen
möglich ist. Dafür würde zum Beispiel FAIR beste Voraussetzungen bieten. Man erwartet hier radioaktive Strahlen mit einer mehrere tausendmal höheren Intensität als gegenwärtig an irgendeiner anderen Anlage verfügbar. Damit würde ein weites Gebiet
dieser terra incognita erstmals für die experimentelle nukleare
Astrophysik zugänglich.
Abbildung 1: In der Nuklidkarte sind die verschiedenen Produktionspfade der Nukleosynthese durch Pfeile gekennzeichnet. Die Fusion
bringt Kerne bis zum Eisen hervor. Die wichtigsten Produktionspfade zur
Bildung schwerer Kerne sind der langsame (slow) Neutroneneinfang
(s-Prozess) und der schnelle (rapid) Neutroneneinfang (r-Prozess).
Hierfür gibt es zwei Wege. Der erste heißt s-Prozess (slow neutron
capture) (Abbildung 1). Er läuft bei verhältnismäßig geringen Neutronendichten und Temperaturen ab.
Außerdem gibt es noch andere Prozesse, die zu den protonenreichen
schweren Kernen führen. Einer davon ist der schnelle Protoneneinfang
(rp-Prozess). Der rp- und der r-Prozess laufen durch Gebiete weitab der
stabilen Isotope und sollen an der geplanten Anlage FAIR systematisch
erforscht werden.
Status und Perspektiven 2012
15
Hadronen, Kerne
und fundamentale Symmetrien
Der Bauplan der Materie spiegelt ein hohes Maß an Symmetrie
wider. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist eine Schneeflocke.
Dreht man sie um 60 Grad, so deckt sich das gedrehte Bild mit
dem ursprünglichen. Die Schneeflocke besitzt also eine Rotationssymmetrie in Schritten von 60 Grad.
So wenig bedeutsam uns solche Symmetrieverletzungen für
unser Alltagsleben erscheinen, so entscheidend waren sie doch
seit Anbeginn des Universums für die Existenz und Zusammensetzung der Materie im Kosmos. Die Suche nach Symmetrieverletzungen ist daher ein zentrales Anliegen moderner physikalischer Forschung. Wie das Beispiel des Betazerfalls zeigt, sind
ausgewählte Hadronen und Kerne ideale Mikrolaboratorien, um
fundamentale Symmetrien und Wechselwirkungen der Natur zu
untersuchen.
Die Existenz der Materie – Ergebnis einer
Symmetrieverletzung
Ein besonders markantes Beispiel für die Bedeutung von Symmetrieverletzungen ist die Existenz von Materie. Unter vollständiger
Symmetrie müssten unmittelbar nach dem Urknall gleich viele
Teilchen und Antiteilchen entstanden sein. Diese hätten sich aber
gegegenseitig ausgelöscht und wären dabei vollständig in Strahlung umgewandelt. Dass es im Universum dennoch Materie gibt,
muss seine Ursache in einer Verletzung der Symmetrie haben.
Die bislang gefundenen Fälle von Symmetrieverletzung reichen
jedoch nicht aus, um die heute vorhandene Materiemenge im
Universum zu erklären. Physiker suchen deswegen nach weiteren Beispielen, die sie insbesondere für Hadronen erwarten, die
schwere Quarks enthalten.
Weniger anschaulich, aber von fundamentaler Bedeutung, sind
Symmetrien im elementaren Regelwerk der Naturgesetze. Laufen
Prozesse auf der Skala der Elementarteilchen genauso ab, wenn
man sie spiegelt, Teilchen mit Antiteilchen vertauscht oder die
Zeitrichtung umkehrt? Lange Zeit glaubte man, dass alle elementaren Prozesse unverändert unter diesen drei Symmetrietransformationen Spiegelung, Teilchen-Antiteilchen-Vertauschung und
Zeitumkehr ablaufen. Umso überraschender war die Entdeckung
vor etwa 50 Jahren, dass beim radioaktiven Betazerfall die Spiegelsymmetrie verletzt ist. Das hierbei aus dem Kern herausfliegende
Elektron besitzt stets eine linkshändige Eigenrotation (Spin) in
Flugrichtung. Der zum Betazerfall gespiegelte Prozess mit rechtshändigen Elektronen kommt in der Natur nicht vor.
16
Status und Perspektiven 2012
Physik jenseits des Standardmodells
Seit nahezu vierzig Jahren beschreibt das Standardmodell die
Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Es
umfasst die Theorie der Starken und Schwachen sowie der elektromagnetischen Kraft. Die Physiker vermuten jedoch aus mehreren Gründen, dass das Standardmodell erweitert oder durch ein
noch umfassenderes Modell ersetzt werden muss. So ist es bei
sehr hohen Energien mathematisch nicht mehr definiert, und es
enthält eine Vielzahl von experimentell zu bestimmenden Parametern, die eigentlich die Theorie festlegen sollte. Nicht zuletzt
erfordert die Einbeziehung der Gravitation eine grundlegende Erweiterung des Standardmodells. Infolgedessen sind die Teilchen-,
Hadronen- und Kernphysiker auf der Suche nach Prozessen, die
auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.
Hadronen, Kerne und fundamentale Symmetrien
Im Bereich der Kernphysik besitzen Niederenergie-Präzisionsexperimente zur Schwachen Kraft ein hohes Entdeckungspotenzial
für diese Fragestellungen. Solche Studien umfassen unter anderem empfindliche Tests der Spiegel- und Zeitumkehrsymmetrie.
Neben Kernen und Hadronen bietet auch der elementarste aller
Betazerfälle, der des Neutrons, ein für diese Zwecke ideales Untersuchungsobjekt. Hierfür stehen kalte und ultra-kalte Neutronen
an Instituten in Grenoble, Mainz, München und am Paul-ScherrerInstitut (Schweiz) zur Verfügung.
Der erste Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells der
Teilchenphysik kam aus dem Studium von Neutrinos, die der
Schwachen Kraft unterliegen. Man kann sich dies in einem Bild
veranschaulichen, in dem das Neutrino eine Kugel ist, die um
eine Achse rotiert. In der Natur kommen nur Neutrinos vor, die
sich in Bewegungsrichtung links herum drehen (linkshändiges
Neutrino). Rechtshändige Neutrinos gibt es nicht, womit die Spiegelsymmetrie gebrochen ist. Es gibt drei Neutrino-Arten, die sich
überraschenderweise ineinander umwandeln können.
Das Studium solcher Neutrino-Oszillation bildet heute ein großes
Arbeitsgebiet. Darüber hinaus ist die Masse der Neutrinos nach
wie vor nicht bekannt. Deren Bestimmung aus dem Betazerfall
oder dem sogenannten „neutrinolosen Doppel-Betazerfall“ soll
die Tür zur Physik auf großen Energieskalen jenseits des Standardmodells aufstoßen. Auch hier hätte das Ergebnis aus dem Labor
weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis der Astrophysik und Kosmologie und der eingangs erwähnten Frage nach der
Existenz von Materie im Universum.
Taj Mahal: Natur (oben) und Spiegelbild (unten) identisch!
Linkes Bild: die DNS als Rechtschraube, wie sie in der Natur vorkommt.
Rechtes Bild: DNS als Linksschraube, die nicht in den Natur vorkommt.
Das Experiment GERDA (GERmanium Detector Array) am Laboratori
Nazionali del Gran Sasso (LNGS) sucht nach dem neutrinolosen
Doppel-Betazerfall.
Linkes Bild: Ein linkshändiges Neutrino, wie es in der Natur vorkommt,
rotiert in Bewegungsrichtung (gelber Pfeil) links herum.
Rechtes Bild: ein rechtshändiges Neutrino kommt nicht in der Natur vor.
Status und Perspektiven 2012
17
Hadronen
– starke Verbindungen der Quarks
Wie Atome unter dem Einfluss der Elektromagnetischen Kraft
Molekülverbindungen eingehen, so schließen sich Quarks als
Folge der Starken Kraft zu Verbindungen zusammen. Diese Verbindungen werden Hadronen genannt. Da es sechs verschiedene
Sorten von Quarks – und entsprechende Antiquarks – gibt, die auf
unterschiedliche Weise verknüpft werden können, existiert eine
Vielzahl von Hadronen. Fast alle sind jedoch instabil und lassen
sich nur für kurze Zeit in Beschleunigerexperimenten erzeugen.
Die einzigen stabilen Hadronen in der Natur sind die Protonen und
die in Atomkernen gebundenen Neutronen. Sie bestehen aus den
zwei leichtesten Quarks, genannt up (u) und down (d) Quarks.
forderungen der modernen Physik, das Confinement nicht nur
qualitativ, sondern auch quantitativ im Rahmen der Theorie der
Starken Kraft zu verstehen.
Anders als die Moleküle, die wir weitgehend aus den Eigenschaften der Atome verstehen können, geben uns die Hadronen noch
immer große Rätsel auf. Um diese aufzuklären, ist ein viel tiefergehendes Verständnis der Starken Kraft erforderlich. So kann die
Theorie der Starken Kraft – die Quantenchromodynamik (QCD)
bisher nicht beschreiben wie die Quarks in Hadronen gefangen
sind. Erfolgversprechend zur Lösung dieser Frage sind Ansätze, in
denen die Eigenschaften von Hadronen mit Hochleistungscomputern berechnet werden. Dies geschieht im Rahmen so genannter Gittereichtheorie.
Abbildung 1: In der Natur treten Quarks nicht isoliert auf, sondern immer
nur in Paaren oder Dreierkombinationen. Versucht man Quarks zu
trennen, so erfordert das riesige Energien, und es entstehen neue QuarkAntiquark-Paare.
Die Gefangenschaft der Quarks
Die Masse des Protons
Im Gegensatz zu Molekülverbindungen, die in ihre Bestandteile
– die Atome – zerlegt werden können, lassen sich Hadronen nicht
in einzelne Quarks aufspalten. Trotz intensiver Suche wurden bisher keine isolierten Quarks in der Natur beobachtet. Phänomenologisch erklärt man sich die Gefangenschaft der Quarks dadurch,
dass die durch Gluonen vermittelte Starke Kraft ähnlich wie ein
Gummiband wirkt. Zieht man die Quarks auseinander, so muss
man Arbeit aufbringen, die als potenzielle Energie im Gummiband, das heißt im Gluonenfeld zwischen ihnen, gespeichert
wird. Das Gummiband reißt erst, wenn die Energie zur Bildung
eines Quark-Antiquark-Paares ausreicht, was zur Bildung neuer
Hadronen führt, aber keine Quarks freisetzt (Abbildung 1). Hierbei
wandelt sich also gemäß der Formel E = mc2 Energie in Materie
um. Die absolute Gefangenschaft der Quarks in den Hadronen
wird als Confinement bezeichnet. Es ist eine der großen Heraus-
Üblicherweise ergibt sich die Masse eines zusammengesetzten
Systems aus der Summe der Massen seiner Bestandteile – bis auf
kleine Korrekturen durch Bindungseffekte, die die Masse des zusammengesetzten Systems geringfügig verringern. Umso überraschender war die Beobachtung, dass die Quarks weniger als zwei
Prozent zur Protonen- beziehungsweise Neutronenmasse beitragen. Nach unserem heutigen Verständnis ergibt sich die Masse der
Nukleonen zum überwiegenden Teil aus der Bewegungsenergie
der Quarks und der Energie des Gluonenfeldes zwischen ihnen.
Auch hier kommt die Äquivalenz von Energie und Masse (E = mc2)
zur Geltung. Der Mechanismus, der die Protonen- und Neutronenmasse (allgemeiner gesagt die Hadronenmasse) generiert, ist
aber im Einzelnen noch nicht verstanden. Die Physiker nehmen
an, dass er eng mit dem Übergang vom Quark-Gluon-Plasma zu
den Hadronen in der Frühphase des Universums verknüpft ist.
18
Status und Perspektiven 2012
Hadronen – starke Verbindungen der Quarks
Als in dieser Phase die quasi-freien Quarks sich zusammenlagerten und Hadronen bildeten, fand ein sogenannter Phasenübergang statt. Hierbei wurde die so genannte chirale Symmetrie der
Starken Kraft spontan gebrochen (siehe auch das Kapitel „Hadronen und Kerne – Mikrolaboratorien für fundamentale Symmetrien und Wechselwirkungen“). Die chirale Symmetrie ist eine
„Links-rechts-Symmetrie“. Sie besagt, dass bei allen durch die
Starke Wechselwirkung bestimmten Prozessen die Chiralität, das
heißt die durch Flugrichtung und Spin (Eigenrotation) definierte
Händigkeit eines Up- oder Down-Quarks erhalten bleibt. Wäre
die Chirale Symmetrie auch in unserer hadronischen Welt erfüllt,
so sollten bestimmte Paare von Hadronen, so genannte chirale
Partner, gleiche Massen haben. Die beobachteten Hadronenmassen von chiralen Partnern sind aber deutlich unterschiedlich.
Dies lässt sich über die spontane Brechung der chiralen Symmetrie erklären, die eine Verschiebung und Aufspaltung der Massen
chiraler Partner bewirkt und somit zu ihrer hadronischen Masse
beiträgt.
Hadronen (Abbildung 2). Auf experimenteller Seite benötigt man
zur weiteren Klärung dieser Fragen Elektronenstrahlen mit hoher
Polarisation und deutlich höheren Intensitäten als gegenwärtig
verfügbar. Planungen für entsprechende neue Beschleunigeranlagen und Nachweissysteme haben begonnen.
Die Entwicklung von Elektronenquellen hoher Intensität und hohem
Polarisationsgrad ist wichtig für die Paritätsverletzende
Elektronenstreuung.
Suche nach neuen hadronischen Formen der Materie
Abbildung 2: Unsere Vorstellung vom Inneren eines Protons: Drei Quarks
schwimmen in einem See aus virtuellen Quark-Antiquark-Paaren, in die
sich die Gluonen kurzzeitig verwandeln können. Die Masse des Protons
wird in diesem Bild durch die Bewegungs- und Wechselwirkungsenergie
der Konstituenten bestimmt. Außerdem besitzen Quarks und Gluonen
einen Eigendrehimpuls (kleine Pfeile) und durch ihre Bewegung auch
einen Bahndrehimpuls, die zum Gesamtdrehimpuls des Protons (großer
Pfeil) beitragen.
Der Eigendrehimpuls des Protons
Protonen besitzen einen Eigendrehimpuls, von den Physikern
als Spin bezeichnet. Lange Zeit wurde angenommen, dass sich
der Spin des Protons in einfacher Weise aus einer Kopplung der
Quarkspins ableiten lässt. Streuexperimente mit hochenergetischen Elektronen zeigten dann aber, dass die Spins der Quarks
weniger als 30 Prozent zum Spin des Protons beitragen. Um dieses
Problem zu lösen, wurde von theoretischer Seite ein signifikanter
Beitrag der Gluonenpolarisation und/oder der Bahnbewegung
der Quarks zum Gesamtdrehimpuls des Protons vorausgesagt.
Neue experimentelle Daten von COMPASS am CERN und HERMES
am DESY zeigen, dass der Beitrag Gluonenpolarisation klein ist.
Dagegen gibt es erste experimentelle Hinweise, dass die Bahnbewegung der Quarks einen endlichen Beitrag zum Gesamtdrehimpuls des Protons liefert. Neue theoretische Beschreibungen ermöglichen ein 3-dimensionales Bild von der inneren Struktur der
Elektromagnetische Ladungen wechselwirken durch den Austausch von Photonen. Zum Beispiel bilden ein negativ geladenes
Elektron und ein positiv geladenes Proton ein gebundenes Wasserstoffatom. Die Wechselwirkung zwischen Quarks verursachen
Gluonen. Im Gegensatz zu den elektrisch ungeladenen Photonen
tragen die Gluonen jedoch eine Farbladung und üben daher eine
stark anziehende Kraft aufeinander selbst aus. Dies hat nichts mit
Farben in der Natur zu tun, wie wir sie wahrnehmen, sondern
kennzeichnet eine Eigenschaft der Gluonen. Die extreme Stärke
dieser Wechselwirkung führt zu einem komplexen Bild für die in
der Natur beobachteten Hadronen, die aus Quarks, Antiquarks
und Gluonen zusammengesetzt sind. Qualitativ kann man die
bislang beobachteten Hadronen als Zwei- bzw. Drei-Teilchensysteme von Konstituentenquarks beschreiben. In den letzten Jahren wurde dieses Bild erschüttert. Eine ganze Reihe von neuen
Zuständen wurde entdeckt, die vermutlich exotischer Natur sind
und damit dem konventionellen Zwei- bzw. Drei-Teilchenbild von
Hadronen entgegen stehen. Die Frage, welche Strukturen durch
die starke Wechselwirkung tatsächlich realisiert werden können,
hat sich zu einem zentralen Forschungsfeld entwickelt. Es sollten
zum Beispiel auch Hybridzustände aus zwei Konstituentenquarks
und einem Gluon möglich sein. Es ist eine experimentelle und
theoretische Herausforderung die relevanten Freiheitsgrade für
die Beschreibung des hadronischen Anregungsspektrums in der
QCD zu finden und mit Hilfe derer eine Beschreibung der Reaktionsdynamik und Hadronstruktur zu etablieren. Die sich im Aufbau befindliche Anlage FAIR eröffnet einzigartige Möglichkeiten
für das Studium neuer hadronischer Zustandsformen in ProtonAntiproton Kollisionen.
Status und Perspektiven 2012
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Kernmaterie unter extremen Bedingungen
– von der „Ursuppe“ zu Neutronensternen
Weltweit werden an den größten Beschleunigeranlagen Experimente mit hochenergetischen Ionenstrahlen durchgeführt, um
die Eigenschaften von Kernmaterie bei höchsten Dichten und
Temperaturen zu untersuchen. Dazu werden zwei schwere Atomkerne bei fast Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht, so dass
kurzzeitig ein hoch komprimierter und heißer Feuerball entsteht.
Dieser explodiert unmittelbar nachdem er seine maximale Dichte
durchlaufen hat und zerfällt schließlich in Tausende von Teilchen,
von denen die meisten erst im Stoß entstehen. Die so erreichten
Dichten übersteigen um ein Vielfaches die ohnehin schon enorme Dichte in normalen Atomkernen. Ein Stück Kernmaterie von
der Größe eines Würfelzuckers besäße eine Masse von 300 Millionen Tonnen. Die Dichte des Feuerballs, die hier experimentell zugängig wird, kommt in der Natur nur im Zentrum von Neutronensternen vor. Die erzielten Temperaturen sind hunderttausendfach
höher als die im Zentrum der Sonne.
Bei solch hohen Dichten und Temperaturen lösen sich die Protonen und Neutronen (Nukleonen) in ihre Bestandteile Quarks und
Gluonen auf. Die Theorie der Starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik (QCD), sagt hier einen Phasenübergang von
Kernmaterie in ein Plasma aus Quarks und Gluonen voraus. Kernmaterie kann also verschiedene Zustandsformen in Abhängigkeit
von Temperatur und Druck annehmen, ähnlich wie Wasser, das je
nach Temperatur und Druck flüssig, fest oder gasförmig sein kann.
Abbildung 1 zeigt eine Skizze des theoretisch vorhergesagten
Phasendiagramms von Kernmaterie. Aufgetragen ist die Temperatur in Einheiten von Millionen Elektronenvolt1 gegen die Dichte
in Einheiten der normalen Atomkerndichte. Für besonders hohe
Temperaturen oder Dichten erwartet man, dass sich die Nukleonen in ihre Bestandteile auflösen und das erwähnte Plasma aus
Quarks und Gluonen bilden. Man nimmt heute an, dass dieser
Phasenübergang je nach Temperatur und Dichte unterschiedlich
abläuft: Bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen bildet
sich erst eine gemischte Phase aus Hadronen, Quarks und Gluonen, ähnlich wie Wasser am Siedepunkt in eine Phase aus Tröpfchen und Dampf übergeht. Dieser Phasenübergang erster Ordnung endet in einem kritischen Punkt, in dem besonders große
Dichteschwankungen erwartet werden.
1
100 Millionen Elektronenvolt (eV) entsprechen einer Temperatur von 1,2 Billionen Kelvin.
Zum Vergleich: im Zentrum unserer Sonne herrscht eine Temperatur von knapp 16 Millionen Kelvin
20
Status und Perspektiven 2012
Bei kleinen Dichten und hohen Temperaturen gehen die Hadronen kontinuierlich in das Quark-Gluon-Plasma über. Nach unserem heutigen Verständnis war dies die „Ursuppe“, aus der das
heiße Universum kurz nach dem Urknall bestand. Heute könnte
Quark-Gluon-Materie noch im Zentrum von Neutronensternen
existieren, bei sehr hohen Dichten und vergleichsweise niedrigen
Temperaturen.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Phasendiagramms von
Kernmaterie
Gegenwärtige und zukünftige Experimente konzentrieren sich
auf die Erforschung von zwei Bereichen des Phasendiagramms
von Kernmaterie: Bei hohen Temperaturen und niedrigen Dichten sollen die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas detailliert
untersucht werden. Bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen wird nach dem Phasenübergang erster Ordnung und dem
kritischen Endpunkt gesucht. In beiden Fällen dienen die Eigenschaften der im Stoß herausgeschleuderten Teilchen (Energie,
Masse und Zusammensetzung) als diagnostische Sonden des
im Feuerball erzeugten Materiezustands. Eine besondere Rolle
spielen hierbei solche Teilchen, die aus der frühen und dichten
Phase des Feuerballs stammen und nur wenig durch die spätere hadronische Phase beeinflusst werden. Dazu gehören besonders Teilchen, die bereits im Innern des Feuerballs zum Beispiel in
Elektron-Positron-Paare zerfallen. Interessant sind auch instabile
Teilchen, die aus schweren Quarks bestehen.
Kernmaterie unter extremen Bedingungen – von der „Ursuppe“ zu Neutronensternen
Eine weitere wichtige Beobachtungsgröße ist der kollektive Fluss
der Teilchen, der Rückschlüsse auf die Eigenschaften des frühen
Feuerballs erlaubt.
Der kollektive Fluss beschreibt das Expansionsverhalten der Materie nach einer Kollision, ähnlich wie die Hubble-Konstante die
Expansion des Universums charakterisiert.
Kern-Kern-Stöße bei höchsten Temperaturen
– Einblicke in die Frühphase des Universums
Kern-Kern-Stöße bei höchsten Dichten
– Einblicke in das Innere von Neutronensternen
Abbildung 2 – oben: Drei Schnappschüsse einer zentralen Kollision
zweier schwerer Atomkerne bei CERN-LHC Energien als Ergebnis einer
Computer-Simulation. Die einlaufenden Kerne sehen aus wie flache
Scheiben da sie mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegen und aufgrund der
speziellen Relativitätstheorie stark in Flugrichtung kontrahiert sind.
Abbildung 2 – unten: Zentrale Kollision zweier Bleikerne bei einer
Schwerpunktsenergie von 2,76 TeV pro Nukleon. Die daraus resultierenden Teilchenspuren wurden mit der Zeitprojektionskammer des ALICE
Experimentes am LHC aufgenommen.
Abbildung 3 – oben: Drei Schnappschüsse einer zentralen Kollision zweier schwerer Atomkerne bei FAIR Energien als Ergebnis einer ComputerSimulation. Die einlaufenden Kerne sind weniger stark kontrahiert als
bei LHC Energien.
Abbildung 3 – unten: Zentrale Kollision zweier Goldkerne, bei der ein
Kern mit einer Energie von 25 GeV pro Nukleon auf einen ruhenden Atomkern trifft. Die Spuren sind das Ergebnis von Simulationsrechnungen, die
im Rahmen der Entwicklung des Experiments CBM an FAIR durchgeführt
werden.
Den Zustand eines ausgedehnten, heißen Quark-Gluon-Plasmas,
wie er wenige Mikrosekunden nach dem Urknall vorlag, lässt sich
künstlich erzeugen, indem man Atomkerne bei den höchsten
erreichbaren Energien zur Kollision bringt. Die detaillierte Untersuchung der Eigenschaften dieser nur aus Elementarteilchen
bestehenden Materie ist das Ziel der Experimente am Relativistic
Heavy-Ion Collider (RHIC) in den USA und am Large Hadron Collider (LHC) des CERN mit dem ALICE-Detektor. Letzterer wurde von
einer Kollaboration von über 1200 Physikern aufgebaut nimmt
seit November 2010 Daten (Abbildung 2). Erste experimentelle
Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das Quark-Gluon-Plasma
wie eine perfekte Flüssigkeit verhält.
Einen anderen Weg beschreiten die Experimente der geplanten
Beschleunigeranlage FAIR. Der Energiebereich, in dem dort die
Atomkerne zur Kollision gebracht werden, erlaubt die Produktion
eines Feuerballs mit vielfacher normaler Kerndichte. Das auf diese
Weise erzeugte Quark-Gluon-Plasma ähnelt in seiner Zusammensetzung dem Inneren von Neutronensternen. Ein Ziel der geplanten Messungen ist die Entdeckung vorhergesagter Übergänge im
Phasendiagramm von Kernmaterie, insbesondere des erwähnten
Phasenübergangs erster Ordnung und des kritischen Punktes.
Gegenwärtig arbeitet eine internationale Kollaboration von mehr
als 400 Wissenschaftlern an der Entwicklung des Detektors Compressed Baryonic Matter (CBM), der speziell für solche Experimente konzipiert wurde (Abbildung 3).
Status und Perspektiven 2012
21
Beschleuniger
– Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik
Aktuell betriebene Beschleunigeranlagen
Die Struktur von Atomkernen und Hadronen kann sehr präzise
mit Elektronenstrahlen vermessen werden. Für solche Experimente werden gegenwärtig der supraleitende SDALINAC an der
TU Darmstadt, die Mikrotronanlage MAMI mit der kürzlich fertig
gestellten Ausbaustufe C (Abbildung 1) an der Universität Mainz
sowie die Ringanlage ELSA an der Universität Bonn eingesetzt.
aus dem getroffenen Target überwinden und eine Kernreaktion
auslösen zu können. Weiterhin wird mit dem Unilac ein Strahl in
die Synchrotron– und Speicherringanlage SIS18 und ESR injiziert.
In Rex-Isolde am CERN werden radioaktive Ionen erzeugt und
beschleunigt und an der Coulomb-Barriere untersucht.
Die Beschleunigeranlage FAIR
Abbildung 1: Die Ausbaustufe MAMI C in Mainz mit 180-Grad-Umlenkung.
An der Synchrotronanlage COSY des FZ Jülich werden kurzlebige Hadronen erzeugt und mit verschiedenen Detektorsystemen
untersucht. Hierfür stehen Strahlen aus Deuteronen (Kerne des
schweren Wasserstoffatoms Deuterium) und spinpolarisierten
Protonen zur Verfügung. Dies bedeutet, dass die Spins (eine Art
Eigenrotation) der Protonen alle gleich ausgerichtet sind. Auch
das Target mit den zu untersuchenden Kernen lässt sich polarisieren. Das COSY zeichnet sich unter anderem durch eine besonders
leistungsstarke stochastische Kühlereinrichtung aus, die Strahlen
hoher Brillanz und kleiner Energieunschärfe erzeugen kann. Hierzu werden Abweichungen der Bewegung eines Teilchenensembles von der Sollbahn an einer Stelle der Umlaufbahn erfasst und
anschließend an einer anderen Stelle durch Anlegen einer elektrischen Spannung korrigiert.
An der GSI Darmstadt wird der Linearbeschleuniger Unilac mit
variabler Energie und Ionensorten von Protonen bis hoch zu
Uran traditionell für Experimente an der Coulomb- Barriere betrieben: Das heißt, die Ionenkerne besitzen gerade ausreichend
Geschwindigkeit, um die elektrische Abstoßung von Atomkernen
22
Status und Perspektiven 2012
Die Realisierung der Forschungsanlage „Facility for Antiproton
and Ion Research“ (FAIR) in Darmstadt stellt besondere Anforderungen an die Beschleunigertechnologie. Die FAIR Beschleuniger
nutzen die existierenden Beschleuniger der GSI (Unilac und SIS18)
als Injektor. Wegen der gewünschten hohen Primärintensitäten
von bis zu 1012 Ionen pro Sekunde und 1013 Protonen pro Sekunde muss der Injektorkomplex ausgebaut werden. Derzeit wird
hierfür ein Hochstromprotoneninjektor sowie ein supraleitender
Dauerstrichlinearbeschleuniger mit variabler Ionenenergie entwickelt (Abbildung 2). Letzterer wird insbesondere die erfolgreiche
Fortsetzung der Suche nach superschweren Elementen bei der
GSI ermöglichen.
Die weitere Teilchenbeschleunigung erfolgt dann in einem Synchrotron SIS100 mit supraleitenden Magnetspulen und Eisenjochen, um den Energieverbrauch niedrig zu halten. Weltweit
erstmalig werden Magnete entwickelt (Abbildung 3), die schnelle
Feldänderungen von bis zu 4 Tesla pro Sekunde erlauben, um innerhalb von nur einer viertel Sekunde den Strahl im SIS100 auf die
Maximalenergie beschleunigen zu können (Abbildungen 4 und 5).
Diese technische Neuerung wird viele Anwendungen in anderen
Gebieten finden. Darüber hinaus erfordert die hohe Taktrate die
Entwicklung von neuartigen, kompakten Beschleunigereinheiten
in den Ringen sowie von Strahlkollimatoren. Diese entfernen Teilchen aus dem Randbereich des Strahls und vermeiden dadurch
unkontrollierte Strahlverluste die das Vakuum in der Maschine
verschlechtern.
Schließlich wird ein im SIS-100-Tunnel untergebrachtes zweites
Synchrotron SIS 300 den Strahlenergiebereich nach oben abdecken.
Beschleuniger – Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik
Für FAIR werden vier nachfolgende Ringe benötigt, um die erzeugten Sekundärteilchen zu sammeln, die Strahlqualität durch
Kühlprozesse zu verbessern sowie schließlich Präzisionsexperimente durchzuführen. Am Hochenergiespeicherring HESR wird
insbesondere mit elektronengekühlten und nachbeschleunigten
Antiprotonen, am neuen Experimentierspeicherring NESR mit
seltenen Isotopen experimentiert.
Abbildung 2: Mehrzellige supraleitende Kavität aus hochreinem Niob zur
Teilchenbeschleunigung im Nieder- und Mittelenergiebereich.
Am COSY in Jülich wird derzeit ein ambitionierter Elektronenkühler entwickelt und aufgebaut (Abbildung 4). Er dient als Zwischenschritt zur Entwicklung des endgültigen Elektronenkühlers
für den HESR. Dazu wird ein kalter Elektronenstrahl mit Sollgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Ionenstrahls über
einige Meter auf die Ionenumlaufbahn eingelenkt. Ionen, die von
der Sollflugbahn abweichen, erfahren „Reibung“ an den mitfliegenden Elektronen und gelangen dadurch wieder näher an ihre
Sollbahn heran.
Initiativen zur Unterstützung der FAIRBeschleunigerentwicklung
Die an mehreren Hochschulen vorhandene Beschleuniger-Expertise soll noch stärker in die Entwicklung von FAIR eingebunden
werden. Hierfür wurde 2008 innerhalb der hessischen Förderinitiative LOEWE das Helmholtz International Center HICforFAIR und
2009 das Helmholtz Institut Mainz HIM gegründet.
Die Universität Frankfurt baut gegenwärtig die intensive Frankfurter Neutronenquelle FRANZ für thermische Neutronenspektren
für den Energiebereich von 30 keV auf. Sie soll das FAIR-Programm
zur nuklearen Astrophysik ergänzen.
Abbildung 3: Erfolgreich getesteter, schnell gepulster SIS-100-Dipol mit
supraleitender Spule und ferromagnetischem Joch.
Kompakte Beschleunigeranlage am
Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT
An der GSI Darmstadt wurde im Verlauf mehrere Jahre die Methode der Tumortherapie mit Kohlenstoffstrahlen entwickelt. Daraus
entstand das Konzept einer auf Tumorbestrahlungen optimierten
Beschleunigeranlage, welche schließlich am Universitätsklinikum
Heidelberg realisiert wurde. In diesem Heidelberger IonenstrahlTherapiezentrum HIT werden seit November 2009 Patienten
behandelt. Diese Anlage setzte neue Maßstäbe in der Effizienz
einer Ionenstrahltherapieanlage. Auf dieser Erfahrung aufbauend
erstellt die Firma SIEMENS inzwischen mehrere Anlagen dieser
Art an verschiedenen Standorten. Die Anlagen CNAO bei Mailand
sowie Medaustron in Wiener Neustadt orientieren sich ebenfalls
an HIT.
Abbildung 4: Computergrafik des Elektronenkühlers am COSY in Jülich.
Die Elektronen werden durch die blauen Strahlrohre in den Beschleuniger
ein- und wieder ausgelenkt.
Status und Perspektiven 2012
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Instrumente der Hadronen- und Kernphysik
– Hochtechnologie für Forschung und Anwendung
Die Hadronen- und Kernphysik wurde in der Vergangenheit und
wird auch in Zukunft ganz wesentlich durch neue Experimentiermöglichkeiten vorangetrieben. Signifikante Fortschritte in der
Forschung hängen daher stark ab von neuen technologischen
Entwicklungen in den Bereichen Beschleuniger, Detektorsysteme
sowie Datenaufnahme- und Analysesysteme.
An den Universitäten Bonn, Darmstadt und Mainz werden Elektronenbeschleuniger betrieben, deren Strahlen sich besonders gut
zur präzisen Vermessung der Struktur von Atomkernen und Hadronen eignen. Die Experimente werden zum Beispiel mit hochauflösenden Spektrometern durchgeführt.
Am Ringbeschleuniger COSY des FZ Jülich befinden sich mehrere
Experimentaufbauten zur Untersuchung der Struktur von kurzlebigen Hadronen, die in Stößen zwischen Protonen und verschiedenen Atomkernen erzeugt werden.
An der ISOLDE-Anlage am CERN in Genf werden inzwischen weit
über tausend verschiedene Radionuklide erzeugt und untersucht.
Die Nachbeschleuniger REX-ISOLDE und der daran installierten
Detektoranordnung MINIBALL, die atomphysikalischen Methoden wie die hochauflösende Laserspektroskopie und die Präzisions-Massenspektrometrie mit Penningfallen sind ideale Werkzeuge zur Erforschung der Grundzustandseigenschaften kurzlebiger
Radionuklide.
An der Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für
Schwerionenforschung in Darmstadt wird ein breites Spektrum von
Experimenten zur Kern-, Hadronen-, Atom-, Plasma-, Material- und
Biophysik durchgeführt. Die Strahlen aus dem Unilac Beschleuniger dienen zur Erzeugung neuer superschwerer Elemente. Am GSI
Fragmentseparator sowie in den nachfolgenden Versuchsaufbauten und im Experimentierspeicherring ESR werden Experimente
zur Nukleosynthese in Sternen oder in Supernovae durchgeführt.
In hochenergetischen Stößen zwischen Atomkernen wird kurzzeitig dichte Kernmaterie erzeugt und untersucht.
Bild oben: Vier-Spektrometeranlage am Elektronenbeschleuniger MAMI
der Universität Mainz
Bild unten: Der WASA Detektor am COSY Beschleuniger des FZ Jülich
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Status und Perspektiven 2012
Instrumente der Hadronen- und Kernphysik – Hochtechnologie für Forschung und Anwendung
Im Experimentierspeicherring ESR der GSI können einzelne Ionen
untersucht werden.
Das Experiment HADES an der GSI misst Elektronenpaare und Hadronen
um die Eigenschaften von Kernmaterie zu studieren.
Den ersten supraleitenden Dipolmagneten für den Super-Fragmentseparator bei FAIR hat das Budker-Institut in Nowosibirsk gebaut und an die
GSI geliefert.
Deutsche Hadronen- und Kernphysiker/innen waren und sind wesentlich am Aufbau und Betrieb des Detektorsystems ALICE am
LHC des CERN beteiligt. Ziel dieses Experiments ist die Erforschung
der Eigenschaften eines extremen Zustands von Kernmaterie, dem
sogenannten Quark-Gluon-Plasma. Es wird in sehr energiereichen
Stößen zwischen Atomkernen erzeugt. Man nimmt an, dass sich die
Urmaterie kurz nach dem Urknall in einem solchen Zustand befand.
Ziel des Experiments ALICE am LHC des CERN ist die Erforschung der
Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas.
Lasersystem zur resonanten Ionisation von Radionukliden an ISOLDE
Hochleistungsrechner sind heute ein unverzichtbares Instrument
der Forschung. Sie dienen sowohl der Datenverarbeitung großer
Experimente als auch der Durchführung komplexer Simulationen
und theoretischer Berechnungen. Als besonders wirtschaftlich und
energieeffizient haben sich moderne Computerfarmen erwiesen,
die aus mehreren hundert Rechnerknoten mit Many-core CPUs
und GPUs bestehen. Um die bereitgestellte Leistung voll auszuschöpfen ist hoch optimierte Software nötig, die Parallelisierung,
Vektorisierung und GPU-Programmierung beinhaltet
Im Rahmen der Realisierung des internationalen Forschungszentrums FAIR in Darmstadt wird die Entwicklung modernster Technologien auf den Gebieten Teilchenbeschleuniger, Experimentieranlagen und Hochleistungsrechner weiter vorangetrieben.
Für die FAIR Experimente werden ultraschnelle und strahlenharte
Detektorsysteme mit neuartiger Ausleseelektronik entwickelt.
Gleichzeitig entsteht an der GSI ein besonders energieeffizientes
Hochleistungs-Rechenzentrum („GreenIT-Cube“). Die im Rahmen
von FAIR vorangetriebenen technischen Innovationen werden viele Anwendungen in anderen Gebieten von Wissenschaft, Gewerbe
und Industrie finden.
Der Hochleistungsrechner LOEWE-CSC an der Universität Frankfurt
Status und Perspektiven 2012
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FAIR – ein internationales Beschleunigerzentrum
für die Grundlagenforschung
Die Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) ist weltweit eines der größten Projekte der Grundlagenforschung in der laufenden Dekade. Ihre hochintensiven und hochenergetischen Schwerionen- und Antiprotonenstrahlen bieten in
Verbindung mit modernsten Versuchseinrichtungen einzigartige
Experimentiermöglichkeiten auf den Gebieten der Hadronen-,
Kern-, Atom-, Plasma-, Bio- und Materialphysik.
Die Anlage besteht aus einem Doppelringbeschleuniger mit 1100
Metern Umfang, gefolgt von einem komplexen System von Speicheringen und Experimentierstationen. Als Injektor dienen die
existierenden GSI-Beschleuniger. Die hochintensiven Ionenstrahlen werden entweder direkt verwendet zur Erzeugung hochdichter Plasmen und komprimierter Kernmaterie, oder zur Produktion
von intensiven Sekundärstrahlen aus exotischen Atomkernen
oder Antiprotonen. Ein besonderes Merkmal der Anlage ist der
effiziente Parallelbetrieb mehrerer Experimentprogramme durch
simultane Bereitstellung unterschiedlicher Strahlen aus dem
Doppelringbeschleuniger.
26
Status und Perspektiven 2012
Das FAIR Projekt zielt ab auf die Untersuchung noch offener
Fragen zu fundamentalen Eigenschaften der Materie und der
Evolution des Universums. Neben grundlegenden neuen naturwissenschaftlichen Erkenntnissen verspricht das FAIR-Projekt
Innovationen und Anwendungen in verschiedensten Bereichen
wie Materialforschung, Magnettechnologie, Energieerzeugung,
Strahlenbiologie und Strahlenschutz, Detektorbau, Elektronik,
Computer – und Informationstechnologie.
Aufgrund der herausragenden Forschungsmöglichkeiten wird
FAIR zu einem Anziehungsspunkt für Studenten und Wissenschaftler aus aller Welt und leistet somit einen wichtigen Beitrag
zur Ausbildung des hochqualifizierten wissenschaftlichtechnischen Nachwuchses. Durch den Einsatz neuester Technologien
– oft gemeinsam entwickelt mit industriellen Partnern – und die
Ausbildung zukünftiger Forscher- und Technikergenerationen
trägt das FAIR-Projekt zur nachhaltigen Stärkung des Wissenschafts- und Technologiestandorts Deutschland bei.
FAIR – ein internationales Beschleunigerzentrum für die Grundlagenforschung
Die FAIR GmbH wurde im Oktober 2010 gegründet. Die derzeitigen Partnerländer – Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Slowenien, Spanien und Schweden – tragen zusammen etwa 30% der Gesamtkosten von 1.027 Milliarden Euro für die
FAIR Startversion.
Die Bauarbeiten beginnen im Frühjahr 2012 und sollen bis 2017
abgeschlossen sein sodass nach der Installation der Anlagen ab
2018 die Experimente in Betrieb genommen werden können.
SIS100/300
p-LINAC
SIS18
UNILAC
CBM
Das GSI Helmholtzzentrum für
Schwerionenforschung mit den
bereits existierenden Beschleunigern
100 m
UNILAC und SIS18 (blau).
Die geplante FAIR-Anlage mit dem
Doppelringbeschleuniger SIS100/300
und den verschiedenen Speicherringen
und Experimentieranlagen ist rot dargestellt.
Produktion
seltener Isotope
HESR
PANDA
Super-FRS
Produktion
von Antiprotonen
Plasmaphysik
Atomphysik
RESR/
CR
FLAIR
existierende Anlage
NESR
neue Anlage
Experimente
PANDA – Quarks und Hadronen
Die Untersuchung der Kräfte zwischen Quarks, den elementaren Bausteinen der Materie, und die Struktur der Hadronen sind Schwerpunkt des
Forschungsprogramms mit hochenergetischen Antiprotonenstrahlen am
Experiment PANDA.
NuSTAR – Astrophysik und exotische Kerne
Im Rahmen des Programms NuSTAR werden die am Super-Fragmentseparator erzeugten hochintensiven Sekundärstrahlen benutzt um die
Syn-these der chemischen Elemente im Kosmos und die Struktur
exotischer Atomkerne zu untersuchen.
CBM – hoch komprimierte Kernmaterie
Die Erforschung der Eigenschaften hochkomprimierter Kernmaterie, wie
sie im Zentrum einen Neutronensterns vorkommt, und die Suche nach
neuen Formen von Quarkmaterie werden mit hochintensiven Schwerionenstrahlen am Experiment CBM durchgeführt.
APPA – Atom-, Plasma-, Bio- und Materialphysik
Die APPA-Kollaborationen nutzen die künftige FAIR-Anlage für ein
breites, interdisziplinär ausgerichtetes Forschungsprogramm, dass
die Gebiete der Atom-, Bio-, und Plasmaphysik und Materialforschung
umfasst. Fundamentale Fragestellungen beinhalten die Materie-Antimaterie-Asymmetrie und elektromagnetische Wechselwirkungen im
extremen Feldbereich. Intensive Schwerionenstrahlen bieten einmalige
Möglichkeiten zur Erforschung neuer plasmaartiger Materiezustände.
Zudem werden Materialmodifikationen unter extremen Bedingungen
und die Wirkung hochenergetischer Ionenstrahlen auf biologisches
Gewebe untersucht.
Status und Perspektiven 2012
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Methoden der Hadronen- und Kernphysik
in Wissenschaft, Medizin und Technik
Es gibt heute eine nahezu unüberschaubare Zahl von Bereichen,
in denen Analysemethoden und Verfahren unentbehrlich geworden sind, die unmittelbar auf den Erkenntnissen der Hadronenund Kernphysik beruhen. Die Einflüsse reichen von der Forschung
über Medizin und Technik bis hin zu Geschichts- und Kunstwissenschaft. Die bedeutenden Fortschritte auf diesen Gebieten in
den letzten Jahrzehnten sind zu einem beträchtlichen Teil der
maßgeschneiderten Anwendung solcher Methoden zu verdanken. Hier nur einige Beispiele: Aufklärung von Struktur und Dynamik von Zellen mit Hilfe von radioaktiven Markern, quantitative
Analyse winziger Konzentrationen von Schadstoffen und Spurenelementen mit beschleunigergestützter Massenspektroskopie,
exakte Datierung und Analyse von Objekten über Zeitspannen
von Milliarden von Jahren mit Hilfe radioaktiver Nuklide, Untersuchung praktisch aller menschlichen Organe mit der Methode
der radioaktiven Dotierung, Anwendung revolutionierender bildgebender Verfahren in der Medizin und Nanostrukturierung und
Modifikation von Werkstoffen.
Seit 2009 ist das Verfahren routinemäßig am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) im Einsatz. Dort lassen sich jährlich
etwa 1300 Patienten behandeln (Abbildung 2).
Abbildung 1: Das Prinzip der hochpräzisen Bestrahlung von Gehirntumoren bei gleichzeitiger Schonung des gesunden Gewebes wurde
ursprünglich am GSI Helmholtzzentrum entwickelt.
Radionuklide und neue Diagnose- und
Therapiemethoden in der Medizin
Die Entwicklung maßgeschneiderter Radionuklide für die Untersuchung praktisch aller menschlichen Organe ist eine kaum
zu überschätzende Hilfe für die medizinische Diagnostik. Neue
bildgebende Verfahren beruhen auf der direkten Visualisierung
kernphysikalischer Prozesse, wie die Positron-Emissions-Tomographie (PET) und die Kernspin- oder Magnetresonanz-Tomographie
(MRT). Beide Verfahren sind aus der medizinischen Diagnostik
nicht mehr wegzudenken.
Für die Bestrahlung schwierig zu behandelnder Tumore werden
zunehmend Protonen und seit wenigen Jahren auch KohlenstoffIonen eingesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass diese Strahlen
ihre Energie unmittelbar im Tumor abgeben und umliegendes
Gewebe schonen. Hierfür muss der Strahl exakt den Tumor abrastern und seine Energie variert werden. Diese Rastertechnik mit
Hilfe von Magnetfeldern haben Forscher am GSI Helmholtzzentrum entwickelt (Abbildung 1). Hier wurden auch seit 1997 rund
440 Patienten mit Tumoren vorwiegend an der Schädelbasis mit
Kohlenstoff-Ionen bestrahlt.
28
Status und Perspektiven 2012
Abbildung 2: Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum besitzt einen fünf Meter langen Linearbeschleuniger und einen Ringbeschleuniger
mit 20 Meter Durchmesser. Daran schließen sich drei Behandlungsplätze
an. Die Beschleunigeranlage und die Bestrahlungstechnik haben Wissenschaftler und Techniker der GSI entwickelt und gebaut.
Archäologie, Kulturgeschichte und Kunst
Die Kohlenstoff-14-Methode wird seit langer Zeit routinemäßig
genutzt, um das Alter abgestorbener, organischer Substanzen
innerhalb eines Zeitraums von vielen tausend Jahren präzise festzustellen (Abbildung 3). Speziell die Entwicklung der Beschleuniger-Massenspektroskopie ermöglicht es heute, kleinste Proben
zu analysieren und somit archäologische Objekte, Grabfunde wie
die Gletschermumie Ötzi, Kunstwerke oder kulturgeschichtlich
bedeutsame Objekte wie das Turiner Grabtuch zerstörungsfrei zu
datieren.
Methoden der Hadronen- und Kernphysik in Wissenschaft, Medizin und Technik
Protonen- und Ionenstrahlen erlauben es, ohne Probenentnahme Informationen über Materialien und deren chemische
Zusammensetzung zu erhalten. Durch die zerstörungsfreie Ionenstrahlanalyse gelingt es zum Beispiel, Schichtabfolgen kunstgeschichtlicher oder archäologischer Gegenstände zu identifizieren, Kenntnis über verwendete Pigmente zu erhalten oder in
tieferen Lagen versteckte Strukturen sichtbar zu machen.
Abbildung 3: Zerstörungsfreie
Methoden zur Material- und
Isotopenanalyse ermöglichte die
zeitliche und örtliche Zuordnung
der Himmelsscheibe von Nebra,
einer etwa 3600 Jahre alten
Bronzeplatte mit Applikationen
aus Gold.
Simulation kosmischer Strahlung
Beschleunigeranlagen bieten zudem einzigartige Möglichkeiten
zur Simulation kosmischer Teilchenstrahlung. Während Weltraummissionen sind strahlenempfindliche Komponenten und
elektronische Bauteile im Einsatz und müssen zuverlässig Datenmaterial übertragen. In maßgeschneiderten Bestrahlungsexperimenten im Labor werden diese Geräte mit Ionen beschossen, wie
sie in der kosmischen Strahlung vorkommen, und Funktionstests
unterzogen. Für die bemannte Raumfahrt sind zudem systematische Untersuchungen an biologischen Zellen unverzichtbar, um
vorab Risiken und Strahlenschäden bei Langzeitmissionen abzuschätzen (Abbildung 5).
Materialforschung und Festkörperphysik
Durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen (Protonen,
Neutronen, Ionen) lassen sich mikroskopische und makroskopische Materialeigenschaften verändern. Deswegen sind Ionenstrahlverfahren in unserer technologisch hochentwickelten Gesellschaft nicht mehr wegzudenken und werden in zahlreichen
industriellen Bereichen routinemäßig eingesetzt. Sie sind insbesondere unverzichtbar, um Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Dazu gehört das Dotieren von
Halbleiterelementen, das Härten metallischer Werkstoffe oder
die hochpräzise Bearbeitung von Festkörperoberflächen. Ionenstrahlen lassen sich sehr exakt ausrichten und ihre Energie genau
einstellen. Deshalb sind sie auch ein wichtiges Werkzeug zur Synthese von Nanostrukturen für neuartige Anwendungen wie elektronische, optische, optoelektronische oder sensorische Bauteile
(Abbildung 4).
Abbildung 4: Mit hochenergetischen Ionenstrahlen hergestellte
metallische Mikrostruktur mit
integrierten Nanodrähten zur
möglichen Anwendung als
chemischer Sensor oder
Mikrokatalysator.
Abbildung 5: Astronauten sind abhängig von der einwandfreien
Funktion der Raumfahrttechnik. Durch kosmische Strahlung verursachte
Fehlfunktionen in Mikrochips können fatale Folgen haben. Am GSI
Helmholtzzentrum werden mikroelektronische Bauteile mit Ionenstrahlen getestet, deren Zusammensetzung und Energien.
Geowissenschaften, Umweltphysik und
Klimaforschung
Das Alter von Gesteinen, Sedimenten, Meteoriten und der Erde
selbst kann mit Hilfe langlebiger radioaktiver Nuklide präzise bestimmt werden. Erosionsraten sowie Vorgänge in der Atmosphäre
lassen sich durch die Analyse spezifischer Radionuklide wie Beryllium-10, Aluminium-26, Mangan-53 und vieler anderer über einen
weiten Zeitbereich abklären.
Die hochempfindliche Technik der Beschleuniger-Massenspektroskopie erlaubt es, winzige Konzentrationen von Spurenelementen oder Schadstoffmolekülen in Erde, Wasser und Atmosphäre
nachzuweisen bis weit unter eine relative Konzentration von 10-15
(ein Atom oder Molekül auf eine Trillion). Das entspricht etwa der
Fähigkeit, einen Tischtennisball im Bodensee aufzuspüren.
Für die Klimadiskussion sind Erkenntnisse, die mit kernphysikalischen Methoden gewonnen werden, ganz wesentlich. In mächtigen Eisbohrkernen der Arktis und Antarktis wird aus dem Isotopenverhältnis von Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 die mittlere
Jahrestemperatur über einen Bereich von vielen tausend Jahren
genau analysiert. Die Daten erlauben es unter anderem auch,
langfristige Änderungen der Sonneneinstrahlung und deren
mögliche Auswirkung auf das Klima der Erde in der Vergangenheit festzustellen.
Status und Perspektiven 2012
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Ausbildung in der Hadronen- und Kernphysik
In Deutschland sind auf dem Gebiet der Hadronen- und
Kernphysik etwa … Diplomanden, … Doktoranden und …
Nachwuchswissenschaftler tätig (Zahlen werden noch ermittelt).
Die Ausbildung im Bereich der Hadronen- und Kernphysik zeichnet sich durch eine außerordentliche Breite aus und qualifiziert
daher die Studierenden für viele Gebiete außerhalb der Grundlagenforschung. Junge Experimentalphysiker entwickeln zum Beispiel neue Detektoren und Beschleunigerkomponenten und sind
an deren Aufbau und Betrieb beteiligt. Hierbei kommt oft moderne Mikroelektronik zum Einsatz, die in enger Zusammenarbeit mit
der Industrie entwickelt wird.
Ein weiteres Tätigkeitsfeld ist die Entwicklung von Hardware und
Software zur Steuerung von großen Datenflüssen, Datenreduktion und Datenverteilung. Im Softwarebereich umfasst die Ausbildung die Erstellung und Bearbeitung großer Programmpakete
zur Durchführung umfangreicher Computersimulationen, zur
Online-Datenaufnahme und Datenauswertung.
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Status und Perspektiven 2012
Die theoretische Forschung basiert zunehmend auf dem Einsatz
von superschnellen Hochleistungsrechnern. Für spezielle Anwendungen werden große Prozessornetzwerke zum Teil von Physikern selbst entwickelt. Dies erfordert ebenfalls die Entwicklung
von Algorithmen und Computerprogrammen die an die modernen Rechnerarchitekturen angepasst sind.
Zusätzliche Qualifikationen im Bereich Kommunikation und Organisation erwerben sich die Nachwuchswissenschaftler durch die
Arbeit an Großprojekten die von internationalen Kollaborationen
durchgeführt werden. Dies erfordert Durchsetzungsvermögen
gepaart mit Teamgeist, und fördert Kenntnisse in Projektmanagement, Kommunikation und Präsentation in Fremdsprachen, auch
auf internationalen Konferenzen. Dieses breite Spektrum an Qualifikationen eröffnet sehr gute Berufs- und Karrieremöglichkeiten in
Forschung und Lehre, Industrie und Handel, Energie und Verkehr,
Medizintechnik und Telekommunikation, bis hin zu Banken, Versicherungen und Unternehmensberatungen.
Um Jugendliche für Naturwissenschaften zu begeistern und
Nachwuchs für die Hadronen- und Kernphysik zu gewinnen ornanisieren viele Institute Tage der Forschung, Schülerlabore und
Studentenprogramme.
Impressum
Herausgeber:
Komitee für Hadronen- und Kernphysik (KHuK)
Erscheinungsdatum:
Januar 2012
Internet:
http://www.khuk.de
Kontakt:
Peter Senger (Vorsitzender des KHuK)
Telefon: 06159 712652
E-Mail: [email protected]
Redaktion:
P. Senger
Beiträge von: R. Beck, K. Blaum, T. Bührke,
C. Greiner, K. Langanke, M.F.M. Lutz, U. Ratzinger,
J. Ritman, P. Senger, T. Stöhlker, J. Wambach,
J. Wessels, C. Weinheimer,
Grafiken:
GSI, Ingenieurbüro Bung
Layout, Satz und Produktion:
shapeNerds – Agentur für Werbung und Design
Schäfer und Ravensberger GbR
Druck:
Fotos und Abbildungen:
Gabriele Otto/Achim Zschau (GSI),
ALICE-Kollaboration,
Institut für Kernphysik/Universität Mainz,
NASA, CERN, Universität Bonn, FZ Jülich
Status und Perspektiven 2012
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